Interruptors d'aire comprimida: Funcionament avantatges i tipus

Un interruptor d'aire comprimida utilitza l'aire o el gas comprimit com a mitjà d'interrupció de l'arc. L'aire comprimida es guarda en un dipòsit i, quan cal, s'allibera a través d'un bocall per generar un jet d'alta velocitat. Aquest jet joca un paper crucial en extingir l'arc que es forma quan l'interruptor interromp la corrent elèctrica.

Els interruptors d'aire comprimida s'utilitzen habitualment en aplicacions interiors en el rang de tensions mitjanes - altes amb capacitats de ruptura mitjanes. Normalment, són adequats per tensions fins a 15 kV i capacitats de ruptura de 2500 MVA. A més, ara s'utilitzen en parcs de commutació exteriors d'alta tensió per a línies de 220 kV.

Encara que diversos gasos com el diòxid de carboni, el nitrògen, el freó o l'hidrogen podrien servir com a mitjans d'interrupció de l'arc, l'aire comprimida ha emergit com l'opció preferida per als interruptors d'aire comprimida. Hi ha diverses raons convincentes per això:

• Nitrògen: Les seves capacitats d'interrupció del circuit són comparables a les de l'aire comprimida, sense oferir cap avantatge significatiu en termes de rendiment.

• Diòxid de carboni: Un dels seus grans inconvenients és la dificultat de controlar el seu flux. Té tendència a congelar-se a les vàlvules i altres passades estretes, el que pot interrompre el funcionament correcte de l'interruptor.

• Freó: Tot i que té una gran resistència dielèctrica i excel·lents propietats d'extinció de l'arc, té un preu elevat. A més, quan es veu exposat a un arc, es descompon en elements formadors d'àcids, posant riscos a l'equipament i a l'entorn.

Els interruptors d'aire comprimida ofereixen diverses característiques desitjables:

• Operació de alta velocitat: En xarxes elèctriques interconnectades de gran ample, mantenir l'estabilitat del sistema és d'extrema importància. Els interruptors d'aire comprimida excel·leixen en aquest aspecte degut al interval de temps extremadament curt entre la descàrrega de l'impuls de disparador i la separació dels contactes. Aquesta resposta ràpida ajuda a minimitzar l'impacte de les fallades en la xarxa elèctrica general.

• Adequats per a operacions freqüents: A diferència dels interruptors que utilitzen oli, que es poden carbonitzar i degradar ràpidament amb la commutació repetida, els interruptors d'aire comprimida poden suportar operacions freqüents. La falta d'oli també significa que hi ha un desgast mínim en les superfícies de contacte portadores de corrent. No obstant això, és essencial assegurar un subministrament continu i suficient d'aire comprimit quan s'espera una commutació freqüent.

• Manteniment negligible: La capacitat de gestionar la commutació repetida amb facilitat es tradueix en menys requisits de manteniment. Això no només suposa un estalvi en costos de manteniment, sinó que també millora la fiabilitat i disponibilitat de l'interruptor.

• Eliminació del risc d'incendi: Com que els interruptors d'aire comprimida no contenen oli, el risc d'incendi associat als interruptors d'oli queda completament eliminat, fent-los una opció més segura per a instal·lacions elèctriques.

• Reducció de la mida: El creixement ràpid de la resistència dielèctrica en els interruptors d'aire comprimida permet un forat final molt més petit necessari per a l'extinció de l'arc. Aquest disseny compacte resulta en dispositius de menor mida, que es poden integrar més fàcilment en els sistemes elèctrics i ocupen menys espai.

Principi d'extinció de l'arc

Un interruptor d'aire comprimida depèn d'un sistema addicional d'aire comprimit per subministrar aire al receptor d'aire. Quan l'interruptor necessita obrir-se, l'aire comprimit es dirigeix cap a la cambra d'extinció de l'arc. Aquest aire de alta pressió exerceix una força sobre els contactes mòbils, causant-ne la separació. Quan els contactes es separan, el jet d'aire barris el gas ionitzat format per l'arc, extingint-lo efectivament.

L'arc sol ser extingit dins d'un o més cicles. Després de l'extinció de l'arc, la cambra d'arc es omple d'aire de alta pressió, el que ajuda a prevenir les reaccions. Els interruptors d'aire comprimida cauen dins la categoria de tipus d'energia d'extinció externa. L'energia utilitzada per aturar l'arc prové de l'aire de alta pressió, independent de la corrent interrompuda.

Tipus d'interruptors d'aire comprimida

Tots els interruptors d'aire comprimida funcionen segons el principi de separar els seus contactes en un flux d'aire formador d'arc creat pel desplaçament d'una vàlvula de detoni. L'arc que es forma es centra ràpidament a través d'un bocall, on es manté a una longitud fixa i s'exposa a la màxima força del flux d'aire. Basant-se en la direcció del jet d'aire comprimit al voltant dels contactes, els interruptors d'aire comprimida es poden classificar en tres tipus:

• Interruptor d'aire comprimida de jet axial: En aquest tipus, el flux d'aire és paral·lel a l'arc, fluix longitudinalment al llarg de la seva longitud. Els interruptors d'aire comprimida de jet axial es poden categoritzar més endavant com de jet únic o doble. Algunes disposicions de doble jet, on el jet d'aire flueix radialment cap al bocall o l'espai entre els contactes, sovint es denominen interruptors de jet radial, malgrat el concepte de disseny principal de flux axial.

La estructura i operació fonamentals d'un interruptor d'aire comprimida s'il·lustren en el diagrama anterior. En condicions normals d'operació, els contactes fixos i mòbils romandran en un estat tancat, sostenuts per la força exercida per ressorts. Un dipòsit de reserva d'aire està connectat a la cambra d'arc a través d'una vàlvula d'aire. Aquesta vàlvula s'activa per un mecanisme d'impuls triple, que inicia la seva obertura quan surt un defecte o quan cal interrompre la corrent.

Quan surt un defecte en el sistema elèctric, l'impuls de desconnectar serveix com a catalitzador d'acció. Aquest impuls activa la vàlvula d'aire que connecta el dipòsit de reserva d'aire amb la cambra d'arc, fent-la obrir. Quan l'aire de alta pressió del dipòsit entra a la cambra d'arc, exerceix una força considerable sobre els contactes mòbils. Un cop la pressió de l'aire supera la resistència proporcionada per la força del ressort que normalment manté els contactes tancats, els contactes mòbils comencen a separar-se, iniciant el procés d'interrupció de la corrent elèctrica i l'extinció de l'arc.

Quan els contactes es separan a causa de la pressió de l'aire d'alta velocitat, es forma un arc entre ells. L'aire, fluix a alta velocitat axil·larment al llarg de la longitud de l'arc, elimina eficaçment el calor del perímetre de l'arc. A mesura que la corrent s'apropa a zero, aquesta extracció contínua de calor fa que el diàmetre de l'arc es reduïsca significativament. Al moment en què la corrent arriba a zero, l'arc s'interromp amb èxit. Posteriorment, l'aire fresca, fluix a través del bocall, omplint l'espai entre els contactes. Aquest flux d'aire fresc neteja els gasos calents i ionitzats que eren presents en l'espai de contacte, restablint ràpidament la resistència dielèctrica entre els contactes i prevenint qualsevol possible reaccio de l'arc.

Interruptor d'aire comprimida de jet transversal

En un interruptor d'aire comprimida de jet transversal, el mecanisme d'extinció de l'arc funciona de manera diferent. Aquí, el jet d'arc s'orienta perpendicular a l'arc mateix. La figura inferior proporciona una il·lustració esquemàtica del principi de jet transversal emprat en aquest tipus d'interruptor. Quan el braç de contacte mòbil s'activa dins d'un espai confinat, es genera un arc. Immediatament, un jet transversal d'aire impulsa aquest arc cap a les plaques divisories. Les plaques divisories fragmenten l'arc en segments més petits, dissipant-ne l'energia. Aquest procés debilita l'arc fins al punt que, després que la corrent passa per zero, no té energia per reiniciar, assegurant l'interrupció exitosa del circuit elèctric.

Commutació de resistència i desavantatges dels interruptors d'aire comprimida

Commutació de resistència

Normalment, la commutació de resistència no és absolutament necessària en els interruptors d'aire comprimida. Quan l'arc s'extingeix, crea inherentment una certa resistència, que ajuda a regular la tensió de reinici transitori. Tanmateix, si s'estima que una resistència addicional és beneficiosa per a determinades aplicacions, es pot incorporar connectant un resistor a través de la secció divisor d'arc. Aquesta resistència addicional proporciona una capa addicional de control sobre la tensió transitori, millorant el rendiment de l'interruptor en certes condicions.

Desavantatges dels interruptors d'aire comprimida

Un dels principals límits dels interruptors d'aire comprimida és la necessitat estricta d'un subministrament continu d'aire comprimit a la pressió precisa. Per assegurar aquesta disponibilitat, sovint són necessàries instal·lacions de gran escala, típicament amb dos o més compressors. Mantenir aquesta planta complexa de compressió no és una tasca lleugera; requereix manteniment regular per mantenir els compressors funcionant de manera eficient i abordar qualsevol problema mecànic que pugui sorgir.

A més, la filtració d'aire a les connexions de tubs és un problema persistent. Filtres tan petits com minucs poden esgotar gradualment la pressió de l'aire, comprometent el rendiment de l'interruptor. Detectar i corregir aquests filtres pot ser laboriós i intensiu en treball. Aquests reptes de manteniment, combinats amb la necessitat d'un sistema sofisticat de subministrament d'aire, contribueixen a costos operatius més alts.

En comparació amb els interruptors d'oli o altres tipus d'interruptors d'aire, els interruptors d'aire comprimida són particularment caros per a aplicacions de baixa tensió. La infraestructura extensa requerida per la generació d'aire comprimit i els costos de manteniment associats els fan menys econòmics en escenaris on es tracten tensions més baixes, limitant-ne l'ús ampli en aquests contextos.