Interruptores de vacío vs Interruptores de aire: Diferencias clave

Interruptores de circuito de baja tensión por aire vs. interruptores de circuito de vacío: Estructura, rendimiento y aplicación

Los interruptores de circuito de baja tensión por aire, también conocidos como interruptores de marco universal o moldeado (MCCBs), están diseñados para voltajes CA de 380/690V y voltajes CC de hasta 1500V, con corrientes nominales que van desde 400A hasta 6300A o incluso 7500A. Estos interruptores utilizan el aire como medio de extinción del arco. El arco se apaga a través de la elongación, división y enfriamiento mediante un conducto de arco (corredor de arco). Tales interruptores pueden interrumpir corrientes de cortocircuito de 50kA, 80kA, 100kA, o hasta 150kA.

Componentes principales y funcionalidad

• Mecanismo de operación: Ubicado en la parte frontal del interruptor, proporciona la velocidad necesaria para la separación y cierre de los contactos. El rápido movimiento de los contactos ayuda a estirar y enfriar el arco, facilitando su extinción.

• Unidad de disparo inteligente: Montada junto al mecanismo de operación, es el "cerebro" del interruptor de circuito de baja tensión. Recibe señales de corriente y voltaje a través de sensores, calcula parámetros eléctricos y los compara con las configuraciones de protección LSIG preestablecidas:

• L: Retardo a largo plazo (protección contra sobrecarga)

• S: Retardo a corto plazo (protección contra cortocircuitos)

• I: Instantáneo (disparo instantáneo)

• G: Protección contra fallas a tierra
  Basándose en estas configuraciones, la unidad de disparo señala al mecanismo para abrir el interruptor en caso de sobrecargas o cortocircuitos, proporcionando una protección integral.

• Cámara de arco y terminales: Ubicada en la parte trasera, la cámara de arco contiene los contactos y el conducto de arco. Los tres terminales de salida trifásica inferiores están equipados con:

• Sensores de corriente electrónica (para la entrada de señal a la unidad de disparo)

• Transformadores de corriente electromagnéticos (TC) (para suministrar energía de operación a la unidad de disparo)

El mecanismo de operación generalmente tiene una vida mecánica de menos de 10,000 operaciones.

Evolución de la interrupción por aire a la interrupción por vacío

Históricamente, existían interruptores de circuito de media tensión por aire, pero eran voluminosos, tenían una capacidad de interrupción limitada y producían un importante destello de arco (no cero arco), lo que los hacía inseguros e imprácticos.

En contraste, los interruptores de circuito de vacío (ICVs) comparten una disposición general similar: el mecanismo de operación en la parte frontal y el interruptor en la parte trasera. Sin embargo, el interruptor utiliza un interructor de vacío (o "botella de vacío"), que es estructuralmente similar a una bombilla incandescente —un envase sellado de vidrio o cerámica evacuado a alto vacío.

En el vacío:

• Solo se necesita un pequeño espacio entre contactos para cumplir con los requisitos de aislamiento y resistencia al voltaje.

• El arco se extingue rápidamente debido a la ausencia de medio ionizable y la eficiente difusión del vapor metálico.

Aplicaciones de los interruptores de circuito de vacío

Los interruptores de circuito de vacío se han desarrollado rápidamente y ahora se utilizan ampliamente en sistemas de baja, media y alta tensión:

• ICVs de baja tensión: Generalmente calificados a 1.14kV, con corrientes nominales de hasta 6300A y capacidad de interrupción de cortocircuito de hasta 100kA.

• ICVs de media tensión: Más comunes en el rango de 3.6–40.5kV, con corrientes de hasta 6300A y capacidad de interrupción de hasta 63kA. Más del 95% de los equipos de media tensión ahora utilizan interrupción por vacío.

• ICVs de alta tensión: Los interructores monopolo han alcanzado 252kV, y se han logrado interruptores de circuito de vacío de 550kV a través de interructores conectados en serie.

Diferencias clave de diseño

A diferencia de los interruptores de circuito por aire que utilizan resortes de contacto, los interruptores de circuito de vacío requieren que el mecanismo de operación:

• Proporcione suficiente velocidad de apertura y cierre

• Asegure una presión de contacto adecuada

Esta presión de contacto debe mantenerse suficiente incluso después de un desgaste de hasta 3mm de los contactos, para llevar confiablemente la corriente nominal y soportar la corriente pico de corto tiempo durante las fallas.

Ventajas de los interruptores de circuito de vacío

• Alta confiabilidad y seguridad

• Inmune a las condiciones ambientales (polvo, humedad, altitud)

• Sin destello de arco (sin arco externo)

• Tamaño compacto y largos intervalos de mantenimiento

Estas ventajas hacen que los interruptores de vacío sean ideales para su uso en entornos peligrosos, como plantas químicas, minas de carbón, instalaciones de petróleo y gas, donde los riesgos de explosión y la seguridad contra incendios son críticos.

Estudio de caso real: Rendimiento de interruptores de vacío vs. de aire bajo falla

Una gran planta química instaló dos interruptores de circuito —uno de aire y uno de vacío— en configuraciones de circuito idénticas y sometidos a las mismas condiciones de falla.

El circuito era una configuración de empalme, donde las fuentes de alimentación a ambos lados del interruptor estaban fuera de sincronización. Esto resultó en un voltaje transitorio a través del espacio entre contactos que se acercaba al doble del voltaje nominal, lo que llevó a la falla del interruptor.

Resultados:

• Interruptor de circuito de aire:
  Sufrió una destrucción completa. La carcasa de la unidad del interruptor se rompió, y el equipo de conmutación adyacente en ambos lados sufrió daños graves. Se requirió una reconstrucción y reemplazo extensivos.

• Interruptor de circuito de vacío:
  La falla fue significativamente menos violenta. Después de reemplazar el interructor de vacío y limpiar los subproductos del arco (hollín) del interruptor y del compartimento, el equipo de conmutación se restauró rápidamente al servicio.

Conclusión

Los interruptores de circuito de vacío demuestran una contención de fallas, seguridad y confiabilidad superiores en comparación con los interruptores de aire, especialmente bajo sobretensiones transitorias severas. Sus interructores de vacío sellados previenen la propagación del arco, minimizando los daños y el tiempo de inactividad.

En entornos explosivos o inflamables, como plantas químicas y minas de carbón, la operación sin arco y el rendimiento robusto de los interruptores de circuito de vacío proporcionan una clara ventaja tecnológica y de seguridad.