Cómo Elegir Correctamente los Interruptores de Circuito al Vacío

01 Prefacio

En los sistemas de media tensión, los interruptores son componentes primarios indispensables. Los interruptores de vacío dominan el mercado doméstico. Por lo tanto, un diseño eléctrico correcto es inseparable de la selección adecuada de interruptores de vacío. En esta sección, discutiremos cómo seleccionar correctamente los interruptores de vacío y las concepciones erróneas comunes en su selección.

02 La Capacidad de Interrupción para Corriente de Cortocircuito No Debe Ser Excesivamente Alta

La capacidad de interrupción de cortocircuito de un interruptor no debe ser excesivamente alta, pero debe tener un margen para acomodar la futura expansión de la capacidad de la red que puede llevar a un aumento de las corrientes de cortocircuito. Sin embargo, en el diseño eléctrico real, la capacidad de interrupción seleccionada de los interruptores a menudo es demasiado alta. 

Por ejemplo, en subestaciones transformadoras de usuarios finales dentro de sistemas de 10kV, la corriente de cortocircuito de la barra generalmente está alrededor de 10kA, y en sistemas de mayor capacidad, puede alcanzar hasta 16kA. Sin embargo, en los planos de diseño eléctrico, la capacidad de interrupción de los interruptores de vacío a menudo se especifica tan alta como 31.5kA, o incluso 40kA. Tal alta capacidad de interrupción resulta en una inversión desperdiciada. En los casos anteriores, una capacidad de interrupción de 20kA o 25kA sería suficiente. Actualmente, sin embargo, los interruptores de vacío con una capacidad de interrupción de 31.5kA están en alta demanda y se producen en masa, lo que reduce los costos de fabricación y precios, por lo que se adoptan más ampliamente.

En el diseño eléctrico, las corrientes de cortocircuito calculadas generalmente están en el lado más alto. La razón es que la impedancia del sistema y la resistencia de contacto en el circuito a menudo se descuidan durante el cálculo. Por supuesto, la capacidad de interrupción de los interruptores debe seleccionarse basándose en la corriente de cortocircuito máxima posible. Sin embargo, el valor de configuración de la protección de cortocircuito no debe basarse en la corriente de cortocircuito máxima. 

Esto se debe a que a menudo ocurren arcos durante los cortocircuitos, y la resistencia del arco es muy alta. En los cálculos de diseño, los cortocircuitos se tratan como cortocircuitos puros metálicos trifásicos, asumiendo que no hay arco ni resistencia de contacto. En las estadísticas reales de fallas, más del 80% de los cortocircuitos son monofásicos, y los arcos están presentes casi siempre durante los eventos de cortocircuito. Como resultado, la corriente de cortocircuito real es mucho menor que el valor ideal calculado. 

Si el valor de configuración de la protección es demasiado alto, reduce la sensibilidad de la protección o causa que la protección instantánea no funcione. En la práctica de ingeniería, el problema a menudo no es que el interruptor no pueda interrumpir, sino que el elemento de protección no se active debido a valores de configuración excesivos. Por cierto, los cortocircuitos puros metálicos rara vez ocurren—solo suceden cuando los cables de tierra no se retiran después del mantenimiento antes de cerrar el interruptor. Sin embargo, la tierra generalmente se realiza mediante interruptores de tierra o carros de tierra, y las funciones de interbloqueo están en su lugar, haciendo que los cortocircuitos puros metálicos sean extremadamente improbables.

En los planos de construcción eléctrica, es común ver que la capacidad de interrupción del interruptor principal de entrada se especifica un nivel más alto que la de los interruptores de alimentación. Esto es innecesario. El interruptor principal maneja fallas de cortocircuito en la barra, mientras que los interruptores de alimentación manejan fallas en sus respectivos circuitos. Sin embargo, cerca del lado de carga de un interruptor de alimentación, debido a su proximidad a la barra, la corriente de cortocircuito no es significativamente diferente de la corriente de cortocircuito de la barra. Por lo tanto, las capacidades de interrupción del interruptor principal y de los interruptores de alimentación deben ser las mismas.

03 Los Requisitos de Vida Eléctrica y Mecánica No Deben Ser Excesivamente Altos

La vida eléctrica mencionada aquí no se refiere al número de veces que un interruptor puede abrir y cerrar bajo corriente nominal o parcial a intervalos especificados, sino al número de veces que puede interrumpir la corriente de cortocircuito sin requerir mantenimiento. No hay un estándar nacional para este número. Generalmente, los fabricantes diseñan para 30 tales interrupciones. Algunos productos de fabricantes pueden manejar 50. En los documentos de licitación para proyectos de usuarios, es común ver requisitos excesivamente altos para el número de interrupciones de cortocircuito. Por ejemplo, un documento de licitación requirió que un interruptor de vacío de protección de línea de 12kV interrumpiera la corriente de cortocircuito nominal 100 veces, con una vida mecánica de 100,000 operaciones e interrupción de corriente nominal 20,000 veces—estos requisitos son poco razonables.

Números excesivamente altos de interrupciones de cortocircuito son innecesarios. Una falla de cortocircuito es un incidente eléctrico importante. Cada ocurrencia debe tratarse como un accidente grave que requiere análisis de la causa raíz y acciones correctivas para prevenir la recurrencia. Por lo tanto, a lo largo de la vida útil efectiva de un interruptor, solo interrumpirá fallas de cortocircuito unas pocas veces. Cuanto mayor sea la tensión del sistema, mayor será el daño causado por los cortocircuitos, pero menor será la probabilidad de ocurrencia. Así, un interruptor de media tensión capaz de interrumpir 30 fallas de cortocircuito es suficiente. Las pruebas de tipo para la interrupción de cortocircuito son caras. Para un interruptor de vacío de 12kV, cada prueba de interrupción de cortocircuito actualmente cuesta alrededor de 10,000 RMB. Realizar pruebas excesivas incurre en costos altos y es innecesario.

¿Un número mayor de interrupciones exitosas significa una mejor capacidad de interrupción? Esta es otra concepción errónea común. La clave de las pruebas de interrupción de cortocircuito de los interruptores de vacío radica en las primeras diez operaciones. Siempre que el interruptor interrumpa con éxito la corriente especificada en las primeras diez pruebas, su rendimiento posterior generalmente es confiable. Los datos estadísticos de las pruebas de tipo muestran que la probabilidad de fallo es más alta durante las primeras diez interrupciones y disminuye gradualmente a medida que aumenta el número de interrupciones. Después de 30 interrupciones, la probabilidad de fallo en pruebas posteriores es casi cero. Por lo tanto, poder interrumpir 30 veces no significa que no pueda interrumpir 50, simplemente significa que no es necesario realizar más pruebas.

En cuanto a la vida mecánica de los interruptores de vacío, no es necesario tener requisitos excesivamente altos. La clase M1 originalmente no es menos de 2,000 operaciones, y la clase M2 solo es 10,000. Ahora, los fabricantes compiten en la vida mecánica—uno afirma 25,000, otro 100,000. En los procesos de licitación, los participantes comparan los valores de vida mecánica, lo cual es inútil para los interruptores de vacío de distribución. Sin embargo, en aplicaciones específicas como el encendido frecuente de motores, hornos de arco, o circuitos de compensación automática de capacitores, los contactores de vacío son más adecuados (los interruptores de SF6 se usan comúnmente para el encendido de bancos de capacitores de media tensión). Los contactores tienen vidas mecánicas y eléctricas que superan un millón de operaciones (su vida eléctrica se mide por la interrupción de la corriente nominal, no de la corriente de cortocircuito). No es necesario competir en la vida mecánica de los interruptores.

04 Requisitos Excesivos para Otros Parámetros Eléctricos

La capacidad de soporte de corriente de corta duración de un interruptor se refiere a su capacidad para soportar el estrés térmico de la corriente de cortocircuito durante una falla. Esto no es lo mismo que el aumento de temperatura. La prueba de aumento de temperatura implica pasar la corriente nominal o especificada a través del interruptor durante un período prolongado y asegurar que el aumento de temperatura en varios puntos no supere los límites especificados. La capacidad de soporte de corriente de corta duración de un interruptor generalmente se prueba durante 3 segundos.

Dentro de este tiempo, el calor generado por la corriente de cortocircuito no debe dañar el interruptor. Una capacidad de soporte térmico de 3 segundos es suficiente. La razón es que, después de que ocurra un cortocircuito, la protección graduada en el tiempo puede involucrar un retraso intencional para garantizar la selectividad. Para la protección basada en el tiempo, un retraso de 0.5 segundos entre interruptores adyacentes garantiza la selectividad. Si los interruptores difieren en dos niveles, el retraso de disparo es de 1 segundo; si tres niveles, 1.5 segundos. Una capacidad de soporte de 3 segundos ya es suficiente. Sin embargo, algunos usuarios o diseñadores insisten en una capacidad de soporte térmico de 5 segundos, lo cual realmente es innecesario.

Durante el proceso de cierre de un interruptor, los contactos móviles y fijos pueden rebotar. Si el tiempo de rebote es demasiado largo o la asincronía de cierre trifásico es grande, puede ocurrir un desgaste y restablecimiento entre los contactos. El restablecimiento causa un proceso de carga y descarga en el circuito, aumentando la pendiente y amplitud de la sobretensión. Esta sobretensión se conoce como sobretensión de restablecimiento de contacto.

Su peligro puede incluso superar la sobretensión de corte de corriente de los interruptores de vacío, amenazando el aislamiento entre vueltas de transformadores y motores. Por lo tanto, el tiempo de rebote de los contactos y la asincronía trifásica no deben superar los 2ms. Los parámetros actuales de los interruptores se fabrican para cumplir con este requisito. Sin embargo, algunos usuarios exigen valores inferiores a 2ms, incluso requiriendo no más de 1ms, lo cual excede las capacidades técnicas actuales.

05 Problemas Negativos Causados por una Corriente de Inicio Excesivamente Alta de los Interruptores de Vacío

La corriente nominal de inicio para interruptores de vacío de media tensión es de 630A. Actualmente, algunos fabricantes ya no producen versiones de 630A, y la corriente de inicio mínima ha aumentado a 1250A. Esto está relacionado con la fabricación de interruptores de vacío. Sin embargo, esto trae una serie de consecuencias negativas. Debido a que la corriente de inicio de los interruptores de vacío es demasiado alta, los interruptores de vacío ensamblados con estos interruptores deben coincidir con la calificación de corriente del interruptor. 

Como resultado, todos los componentes asociados—como columnas polares, contactos enchufables en columnas polares, y contactos fijos en equipos de conmutación—también deben coincidir con la calificación de corriente del interruptor. Esto lleva a un desperdicio severo de materiales de metales no ferrosos en la mayoría de los casos. Por ejemplo, un interruptor de vacío de 12kV puede suministrar solo un transformador de 1000kVA, cuya corriente nominal en el lado de 10kV es solo 57.7A. Sin embargo, dado que el interruptor de vacío inicia a 1250A, el interruptor debe estar calificado a 1250A. Como consecuencia, todos los accesorios del interruptor deben tener una corriente nominal de al menos 1250A, y los contactos fijos en el equipo de conmutación también deben estar calificados a no menos de 1250A, lo que resulta en un desperdicio significativo de metales no ferrosos.

Peor aún, los usuarios o diseñadores insisten en que la capacidad de conducción de corriente de los conductores principales en el equipo de conmutación debe coincidir con la del interruptor—es decir, la capacidad de conducción de corriente del conductor se diseña para 1250A. En realidad, una capacidad de 60A es suficiente, y siempre que la sección transversal mínima del conductor del circuito pase las pruebas de estabilidad dinámica y térmica, hay un considerable margen para ahorrar materiales.