Interruptores de corrente de ar a presión: Funcionamento, vantaxes e tipos

Un interruptor de corrente de ar a presión utiliza aire comprimido ou gas como medio de interrupción do arco. O aire comprimido almacénase nun tanque e, cando é necesario, libérase a través dunha boquilla para xerar un chorro de alta velocidade. Este chorro xoga un papel crucial na extinción do arco que se forma cando o interruptor de corrente interrompe a corrente eléctrica.

Os interruptores de corrente de ar a presión son comúnmente empregados en aplicacións interiores no rango de voltaxe media - alta con capacidades de ruptura medias. Xeralmente, son adecuados para voltaxes ata 15 kV e capacidades de ruptura de 2500 MVA. Ademais, agora úsanse en parques de conmutación ao aire libre de alta tensión para liñas de 220 kV.

Aínda que varios gases como dióxido de carbono, nitróxeno, freón ou hidróxeno poden servir como medios de interrupción do arco, o aire comprimido emerxeu como a opción preferida para os interruptores de corrente de gas a presión. Hai varias razóns convincentes para iso:

• Nitróxeno: As súas capacidades de interrupción de circuito son comparables ás do aire comprimido, sen ofrecer unha ventaxe significativa en termos de rendemento.

• Dióxido de carbono: Unha das súas principais desvantaxes é a dificultade para controlar o seu fluxo. Ten tendencia a conxelarse nas válvulas e outras pasaxes estreitas, o que pode perturbar o funcionamento correcto do interruptor de corrente.

• Freón: Aínda que ten unha elevada resistencia dieléctrica e excelentes propiedades de extinción do arco, vén cun prezo elevado. Ademais, cando está exposto a un arco, desintegrase en elementos formadores de ácido, o que supón riscos para o equipo e o ambiente circundante.

Os interruptores de corrente de ar a presión ofrecen varias características deseables:

• Operación de alta velocidade: Nas grandes redes eléctricas interconectadas, manter a estabilidade do sistema é de suma importancia. Os interruptores de corrente de ar a presión destacan neste aspecto debido ao intervalo extremadamente curto entre a descarga do impulso de disparo e a separación dos contactos. Esta resposta rápida axuda a minimizar o impacto das fallos na rede eléctrica global.

• Adecuación para operación frecuente: Ao contrario dos interruptores de corrente que usan aceite, que poden carbonizarse e degradarse rapidamente con conmutacións repetidas, os interruptores de corrente de ar a presión poden soportar operacións frecuentes. A ausencia de aceite tamén significa que hai un desgaste mínimo nas superficies de contacto que transportan a corrente. No entanto, é esencial asegurar un suministro continuo e suficiente de aire comprimido cando se espera conmutación frecuente.

• Manutención mínima: A capacidade de manexar conmutacións repetidas con facilidade tradúcese en menores requisitos de manutención. Isto non só aforra en custos de manutención, senón que tamén aumenta a fiabilidade e a dispoñibilidade do interruptor de corrente.

• Eliminación do risco de incendio: Como os interruptores de corrente de ar a presión non contén aceite, o risco de incendio asociado aos interruptores de corrente recheados de aceite elimínase completamente, facendo que sexan unha opción máis segura para as instalacións eléctricas.

• Reducción do tamaño: O crecemento rápido da resistencia dieléctrica nos interruptores de corrente de ar a presión permite un espazo final moito menor necesario para a extinción do arco. Este deseño compacto resulta en dispositivos de menor tamaño, que poden integrarse máis facilmente nos sistemas eléctricos e ocupar menos espazo.

Principio de extinción do arco

Un interruptor de corrente de ar a presión depende dun sistema adicional de aire comprimido para suministrar aire ao receptor de aire. Cando o interruptor de corrente necesita abrirse, o aire comprimido diríxese ao chamizo de extinción do arco. Este aire de alta presión exerce unha forza sobre os contactos móveis, causando a súa separación. Á medida que os contactos se separam, o chorro de aire barre o gas ionizado formado polo arco, extinguindo-lo eficazmente.

O arco adoita extinguirse dentro dun ou máis ciclos. Despois da extinción do arco, o chamizo de arco remátase con aire de alta presión, o que axuda a prevenir rellamadas. Os interruptores de corrente de ar a presión caen na categoría de tipo de enerxía de extinción externa. A enerxía utilizada para apagar o arco deriva do aire de alta presión, independente da corrente que se interrumpe.

Tipos de interruptores de corrente de ar a presión

Todos os interruptores de corrente de ar a presión funcionan segundo o principio de separar os seus contactos nun flujo de aire formador de arco creado abrindo unha válvula de impulsión. O arco que se forma centrase rapidamente a través dunha boquilla, onde se manteña a unha lonxitude fija e suxétase á máxima forza do flujo de aire. Basándose na dirección do chorro de aire comprimido arredor dos contactos, os interruptores de corrente de ar a presión poden clasificarse en tres tipos:

• Interruptor de corrente de ar a presión axial: Neste tipo, o flujo de aire é paralelo ao arco, fluindo longitudinalmente ao longo da súa lonxitude. Os interruptores de corrente de ar a presión axial poden clasificarse ademais como de impulsión simple ou dobre. Algúns arranxos de impulsión dobre, onde o chorro de aire fluye radialmente cara á boquilla ou ao espazo entre os contactos, ás veces denominanse interruptores de ar a presión radial, a pesar do concepto de deseño principal de flujo axial.

A estrutura e o funcionamento fundamentais dun interruptor de corrente de ar a presión ilústranse no diagrama superior. Baixo condicións normais de funcionamento, os contactos fixos e móveis permanecen nun estado pechado, mantidos xuntos pola forza exercida por molas. Un tanque de reserva de aire liga-se ao chamizo de arco a través dunha válvula de aire. Esta válvula activase por un mecanismo de impulsión triple, que dispara a súa apertura cando ocorre un fallo ou cando é necesario interromper a corrente.

Cando ocorre un fallo no sistema eléctrico, o impulso de disparo serve como catalizador da acción. Este impulso activa a válvula de aire que conecta a reserva de aire co chamizo de arco, provocando a súa apertura. Cando o aire de alta presión do tanque de reserva entra no chamizo de arco, exerce unha forza significativa sobre os contactos móveis. Unha vez que a presión do aire supera a resistencia proporcionada pola forza das molas que normalmente mantén os contactos pechados, os contactos móveis comezan a separarse, iniciando o proceso de interrupción da corrente eléctrica e extinción do arco.

Cando os contactos se separam debido á presión do aire de alta velocidade, forma un arco entre eles. O aire, fluindo a alta velocidade axial ao longo da lonxitude do arco, elimina eficazmente o calor do perímetro do arco. Á medida que a corrente se aproxima a cero, esta extracción continua de calor fai que o diámetro do arco diminúa significativamente. No momento en que a corrente chega a cero, o arco interrompese con éxito. Posteriormente, o aire fresco, fluyendo a través da boquilla, enche o espazo entre os contactos. Este fluxo de aire fresco elimina os gases ionizados calientes que estaban presentes no espazo de contacto, restaurando rapidamente a resistencia dieléctrica entre os contactos e evitando calquera posible reinicio do arco.

Interruptor de corrente de ar a presión transversal

No interruptor de corrente de ar a presión transversal, o mecanismo de extinción do arco funciona de maneira diferente. Aquí, o chorro de arco diríxese perpendicular ao arco mesmo. A figura inferior proporciona unha ilustración esquemática do principio transversal empregado neste tipo de interruptor de corrente. Cando o brazo de contacto móvel actívase nun espazo confinado, xérase un arco. Inmediatamente, un chorro transversal de aire propulsa este arco cara ás placas divisorias. As placas divisorias fragmentan o arco en segmentos máis pequenos, dissipando a súa enerxía. Este proceso debilita eficazmente o arco ao punto de que, despois de que a corrente pasa por cero, carece de enerxía para reiniciar, asegurando a interrupción exitosa do circuito eléctrico.

Conmutación de resistencia e desvantaxes dos interruptores de corrente de ar a presión

Conmutación de resistencia

Xeralmente, a conmutación de resistencia non é unha necesidade absoluta nos interruptores de corrente de ar a presión. Cando o arco extingúese, crea inherentemente algunha resistencia, que axuda a regular a tensión de restriking transitória. Pero, se se considera que unha resistencia adicional é benéfica para aplicacións específicas, pódese incorporar conectando un resistor a través da sección divisora de arco. Esta resistencia adicional proporciona unha capa extra de control sobre a tensión transitória, mellorando o rendemento do interruptor de corrente baixo certas condicións.

Desvantaxes dos interruptores de corrente de ar a presión

Unha das principais limitacións dos interruptores de corrente de ar a presión é o requisito estrito dun suministro continuo de aire comprimido á presión precisa. Para asegurar esta dispoñibilidade, adoitan ser necesarias instalacións de gran escala, xeralmente con dous ou máis compresores. Manter esta planta de compresión complexa non é unha tarefa pequena; require manutención regular para manter os compresores funcionando de xeito eficiente e para abordar calquera problema mecánico que poida xurdir.

Ademais, a fuga de aire nas conexións de tubos é un problema persistente. Mesmo as fuxas menores poden agotar gradualmente a presión do aire, comprometendo o rendemento do interruptor de corrente. Detectar e corrixir estas fuxas pode ser laborioso e requirir tempo. Estos desafíos de manutención, xunto coa necesidade dun sistema sofisticado de suministro de aire, contribúen a custos operativos máis altos.

Comparados cos interruptores de corrente de aceite ou outros tipos de interruptores de corrente de aire, os interruptores de corrente de ar a presión son particularmente caros para aplicacións de baixa tensión. A infraestrutura extensa necesaria para a xeración de aire comprimido e os gastos de manutención asociados fáchanos menos rentables en escenarios onde están envolvidas voltaxes máis baixas, limitando o seu uso xeneralizado en tales contextos.