Interruptores de circuito de aire comprimido: Operación, ventajas y tipos

Un interruptor de circuito de aire comprimido utiliza aire o gas comprimido como medio de interrupción del arco. El aire comprimido se almacena en un tanque y, cuando es necesario, se libera a través de un orificio para generar un chorro de alta velocidad. Este chorro desempeña un papel crucial en extinguir el arco que se forma cuando el interruptor de circuito interrumpe la corriente eléctrica.

Los interruptores de circuito de aire comprimido se utilizan comúnmente para aplicaciones interiores en el rango de voltaje medio-alto con capacidades de interrupción medias. Generalmente, son adecuados para voltajes de hasta 15 kV y capacidades de interrupción de 2500 MVA. Además, ahora se utilizan en subestaciones exteriores de alta tensión para líneas de 220 kV.

Aunque diversos gases como dióxido de carbono, nitrógeno, freón o hidrógeno pueden servir potencialmente como medios de interrupción del arco, el aire comprimido ha surgido como la opción preferida para los interruptores de circuito de gas. Hay varias razones convincentes para esto:

• Nitrógeno: Sus capacidades de interrupción de circuito son comparables a las del aire comprimido, ofreciendo ninguna ventaja significativa en términos de rendimiento.

• Dióxido de Carbono: Una de sus principales desventajas es la dificultad para controlar su flujo. Tiende a congelarse en válvulas y otros pasajes estrechos, lo que puede interrumpir el funcionamiento correcto del interruptor de circuito.

• Freón: Aunque tiene una alta resistencia dieléctrica y excelentes propiedades de extinción de arcos, viene con un costo elevado. Además, cuando está expuesto a un arco, se desintegra en elementos formadores de ácidos, lo que supone riesgos para el equipo y el entorno circundante.

Los interruptores de circuito de aire comprimido ofrecen varias características deseables:

• Operación de Alta Velocidad: En redes eléctricas grandes e interconectadas, mantener la estabilidad del sistema es de suma importancia. Los interruptores de circuito de aire comprimido sobresalen en este aspecto debido al intervalo de tiempo extremadamente corto entre la descarga del impulso de disparo y la separación de los contactos. Esta respuesta rápida ayuda a minimizar el impacto de los fallos en la red eléctrica general.

• Aptitud para Operaciones Frecuentes: A diferencia de los interruptores de circuito que utilizan aceite, que pueden carbonizarse y degradarse rápidamente con el encendido y apagado repetitivo, los interruptores de circuito de aire comprimido pueden soportar operaciones frecuentes. La ausencia de aceite también significa que hay un desgaste mínimo en las superficies de contacto que llevan corriente. Sin embargo, es esencial asegurar un suministro continuo y suficiente de aire comprimido cuando se espera un encendido y apagado frecuente.

• Mantenimiento Negligible: La capacidad de manejar el encendido y apagado repetitivo con facilidad se traduce en requisitos de mantenimiento reducidos. Esto no solo ahorra en costos de mantenimiento, sino que también mejora la confiabilidad y disponibilidad del interruptor de circuito.

• Eliminación del Riesgo de Incendio: Dado que los interruptores de circuito de aire comprimido no contienen aceite, el riesgo de incendio asociado con los interruptores de circuito llenos de aceite se elimina por completo, lo que los convierte en una opción más segura para instalaciones eléctricas.

• Tamaño Reducido: El rápido crecimiento de la resistencia dieléctrica en los interruptores de circuito de aire comprimido permite un espacio final mucho menor requerido para la extinción del arco. Este diseño compacto resulta en dispositivos de menor tamaño, que se pueden integrar más fácilmente en sistemas eléctricos y ocupan menos espacio.

Principio de Extinción del Arco

Un interruptor de circuito de aire comprimido depende de un sistema adicional de aire comprimido para suministrar aire al receptor de aire. Cuando el interruptor de circuito necesita abrirse, el aire comprimido se dirige hacia la cámara de extinción del arco. Este aire de alta presión ejerce una fuerza sobre los contactos móviles, causando que se separen. A medida que los contactos se separan, el chorro de aire barre el gas ionizado formado por el arco, extinguiéndolo efectivamente.

El arco generalmente se extingue dentro de uno o más ciclos. Después de la extinción del arco, la cámara de arco se llena con aire de alta presión, lo que ayuda a prevenir reinicios. Los interruptores de circuito de aire comprimido caen en la categoría de tipo de energía de extinción externa. La energía utilizada para apagar el arco se deriva del aire de alta presión, independientemente de la corriente que se interrumpe.

Tipos de Interruptores de Circuito de Aire Comprimido

Todos los interruptores de circuito de aire comprimido funcionan sobre el principio de separar sus contactos en un flujo de aire formador de arcos creado al abrir una válvula de chorro. El arco que se forma se centra rápidamente a través de un orificio, donde se mantiene a una longitud fija y se somete a la máxima fuerza del flujo de aire. Basándose en la dirección del chorro de aire comprimido alrededor de los contactos, los interruptores de circuito de aire comprimido se pueden clasificar en tres tipos:

• Interruptor de Circuito de Chorro Axial de Aire: En este tipo, el flujo de aire es paralelo al arco, fluyendo longitudinalmente a lo largo de su longitud. Los interruptores de circuito de chorro axial de aire pueden clasificarse aún más como de un solo chorro o de doble chorro. Algunas configuraciones de doble chorro, donde el chorro de aire fluye radialmente hacia el orificio o el espacio entre los contactos, a veces se denominan interruptores de circuito de chorro radial, a pesar del concepto de diseño de flujo axial principal.

La estructura y operación fundamentales de un interruptor de circuito de aire comprimido se ilustran en el diagrama anterior. Bajo condiciones normales de operación, los contactos fijos y móviles permanecen en un estado cerrado, sostenidos por la fuerza ejercida por resortes. Un tanque de reserva de aire está conectado a la cámara de arco a través de una válvula de aire. Esta válvula se activa por un mecanismo de impulso triple, que desencadena su apertura cuando ocurre un fallo o la necesidad de interrumpir la corriente.

Cuando ocurre un fallo en el sistema eléctrico, el impulso de disparo sirve como catalizador para la acción. Este impulso activa la válvula de aire que conecta el tanque de reserva con la cámara de arco, causando que se abra. A medida que el aire de alta presión del tanque de reserva se precipita en la cámara de arco, ejerce una fuerza significativa sobre los contactos móviles. Una vez que la presión del aire supera la resistencia proporcionada por la fuerza de los resortes que normalmente mantienen los contactos cerrados, los contactos móviles comienzan a separarse, iniciando el proceso de interrupción de la corriente eléctrica y extinción del arco.

Cuando los contactos se separan debido a la presión del aire de alta velocidad, se forma un arco entre ellos. El aire, fluyendo a alta velocidad a lo largo de la longitud del arco, elimina eficazmente el calor del perímetro del arco. A medida que la corriente se acerca a cero, esta extracción continua de calor hace que el diámetro del arco se reduzca significativamente. En el momento en que la corriente alcanza cero, el arco se interrumpe con éxito. Posteriormente, el aire fresco, fluyendo a través del orificio, llena el espacio entre los contactos. Este flujo de aire fresco elimina los gases ionizados calientes que estaban presentes en el espacio de los contactos, restaurando rápidamente la resistencia dieléctrica entre los contactos y previniendo cualquier posible reinicio del arco.

Interruptor de Circuito de Chorro Transversal de Aire

En un interruptor de circuito de chorro transversal de aire, el mecanismo de extinción del arco opera de manera diferente. Aquí, el chorro de arco se dirige perpendicularmente al arco mismo. La figura a continuación proporciona una ilustración esquemática del principio de chorro transversal empleado en este tipo de interruptor de circuito. Cuando el brazo de contacto móvil se acciona dentro de un espacio confinado, se genera un arco. Inmediatamente, un chorro transversal de aire propulsa este arco hacia las placas divisoras. Las placas divisoras fragmentan el arco en segmentos más pequeños, disipando su energía. Este proceso debilita efectivamente el arco hasta el punto de que, después de que la corriente pasa por cero, carece de la energía para reiniciarse, asegurando la interrupción exitosa del circuito eléctrico.

Conmutación de Resistencia y Desventajas de los Interruptores de Circuito de Aire Comprimido

Conmutación de Resistencia

Generalmente, la conmutación de resistencia no es una necesidad absoluta en los interruptores de circuito de aire comprimido. Cuando el arco se extingue, intrínsecamente crea cierta resistencia, lo que ayuda a regular el voltaje transitorio de reinicio. Sin embargo, si se considera beneficioso agregar resistencia adicional para aplicaciones específicas, se puede incorporar conectando un resistor a través de la sección de división del arco. Esta resistencia adicional proporciona una capa extra de control sobre el voltaje transitorio, mejorando el rendimiento del interruptor de circuito bajo ciertas condiciones.

Desventajas de los Interruptores de Circuito de Aire Comprimido

Una de las principales limitaciones de los interruptores de circuito de aire comprimido es el estricto requisito de un suministro continuo de aire comprimido a la presión precisa. Para garantizar esta disponibilidad, a menudo se necesitan instalaciones a gran escala, típicamente con dos o más compresores. Mantener esta planta de compresión compleja no es una tarea menor; requiere un mantenimiento regular para mantener los compresores funcionando de manera eficiente y abordar cualquier problema mecánico que pueda surgir.

Además, la fuga de aire en las conexiones de tuberías es un problema persistente. Incluso las fugas menores pueden agotar gradualmente la presión de aire, comprometiendo el rendimiento del interruptor de circuito. Detectar y corregir estas fugas puede ser laborioso y consumir mucho tiempo. Estos desafíos de mantenimiento, combinados con la necesidad de un sistema sofisticado de suministro de aire, contribuyen a costos operativos más altos.

En comparación con los interruptores de circuito de aceite u otros tipos de interruptores de circuito de aire, los interruptores de circuito de aire comprimido son particularmente caros para aplicaciones de baja tensión. La infraestructura extensa requerida para la generación de aire comprimido y los gastos de mantenimiento asociados los hacen menos rentables en escenarios donde se involucran tensiones más bajas, limitando su uso generalizado en tales contextos.