La situación actual y la tendencia de desarrollo de los interruptores de circuito de alta tensión SF6

Los interruptores de alta tensión, también conocidos como interruptores de alta tensión, poseen una capacidad suficiente de interrupción y extinción del arco. No solo pueden cortar y cerrar la corriente en vacío y la correntada de carga de los circuitos de alta tensión, sino que también, cuando se produce un fallo en el sistema, pueden cooperar con dispositivos de protección y dispositivos automáticos para cortar rápidamente la corriente de falla, reduciendo así el alcance del corte de energía y evitando la expansión del accidente. Esto es de gran importancia para garantizar la operación segura del sistema eléctrico.

Los interruptores de alta tensión han evolucionado a través de los interruptores de aceite, interruptores de aire comprimido, interruptores de vacío e interruptores SF₆. De estos, los dos primeros tipos se han ido eliminando gradualmente, y los interruptores SF₆ son más comúnmente aplicados en comparación con los dos últimos. Los interruptores SF₆ fueron ampliamente adoptados a principios de la década de 1970. Utilizan hexafluoruro de azufre como medio de extinción del arco. Este tipo de interruptor tiene una gran capacidad de interrupción. En condiciones de interrupción libre, su capacidad de interrupción es aproximadamente 10 veces mayor que la de otros interruptores. Juega un papel crucial en la operación estable y segura del sistema eléctrico, y también es de gran importancia en términos de beneficios económicos y sociales.

1. Rendimiento de los Interruptores SF₆

Los interruptores SF₆ son equipos de conmutación sin aceite que utilizan el gas SF₆ tanto como medio aislante como de extinción del arco. Su rendimiento aislante y características de extinción del arco son significativamente superiores a las de los interruptores de aceite. Los interruptores de hexafluoruro de azufre tienen las siguientes características:

• Fuerte capacidad de extinción del arco, alta resistencia dieléctrica y alto valor de tensión soportada por la fractura unitaria. Como resultado, para el mismo nivel de tensión nominal, se reduce el número de puertos de fractura en serie, mejorando el rendimiento económico del producto.

• Larga vida eléctrica. Puede interrumpir continuamente a plena capacidad de 50kA durante 19 veces, y la corriente de interrupción acumulativa puede alcanzar 4200kA. El ciclo de mantenimiento es largo, y es adecuado para operaciones frecuentes.

• Buen rendimiento de interrupción. Debido a la electronegatividad del gas SF₆, tiene una fuerte capacidad de absorción de electrones libres. El arco formado en SF₆ favorece la formación de la "estructura de columna de arco" (núcleo y envoltura del arco). La difusión del plasma ionizado está restringida, permitiendo una recombinación efectiva de iones. La corriente de interrupción es grande, llegando a 80-100kA, e incluso 200kA. El tiempo de extinción del arco es corto, generalmente 5-15ms. Al mismo tiempo, el rendimiento de interrupción para interrupciones en fase inversa, fallos cercanos, líneas largas desencargadas y condiciones de transformador en vacío también es bueno.

• Alto rendimiento aislante. La resistencia aislante del SF₆ es aproximadamente 5-10 veces mayor que la del aire.

• El gas SF₆ es incoloro, inodoro, no tóxico, no inflamable y muy estable, no reacciona fácilmente con otras sustancias. Además, cuando el interruptor se abre, el aumento de presión causado por el calentamiento del arco es extremadamente pequeño, lo que asegura una operación confiable y previene accidentes de explosión.

2. Desarrollo de los Interruptores de Alta Tensión SF₆
2.1 Interruptores SF₆ de Doble Presión

Dentro del interruptor se configuran dos sistemas de gas SF₆ (sistema de alta presión y sistema de baja presión). Solo durante el proceso de apertura, el cámara de alta presión fluye hacia la cámara de baja presión a través del control de la válvula de soplado para formar un flujo de gas de alta presión. Después de completada la interrupción, la válvula de soplado se cierra. El principio de la cámara de extinción del arco es que un compresor de gas y tuberías están conectados entre la cámara de alta presión y la cámara de baja presión. Cuando la presión de gas en la cámara de alta presión disminuye o la presión de gas en la cámara de baja presión aumenta hasta cierto límite, el compresor de gas comienza a bombear el gas SF₆ de la cámara de baja presión a la cámara de alta presión, formando un sistema de gas cerrado automático.

2.2 Interruptores SF₆ de Presión Única

La estructura de presión única es simple y puede adaptarse a una amplia gama de temperaturas ambientales. El tipo de compresión de gas también ha pasado por un proceso de desarrollo: en cuanto al soplado del arco, el tipo de presión única de primera generación tiene una estructura de soplado único, con una corriente de interrupción pequeña (generalmente 31.5kA) y un voltaje de fractura bajo (generalmente 170kV). El tipo de presión única de segunda generación tiene una estructura de doble soplado, con la corriente de interrupción incrementada a (40-50kA), y el voltaje de fractura sigue siendo bajo. Generalmente, los productos de 252kV tienen dos fracturas. El tipo de presión única de tercera generación tiene una estructura de doble soplado complementada por un efecto de expansión térmica (extinción híbrida del arco). La corriente de interrupción es grande, incrementada a 63kA, y el voltaje de fractura es alto. Una fractura única puede alcanzar 252kV, 363kV, 420kV, e incluso 550kV.

El desarrollo del tipo de presión única, desde la perspectiva de la cámara de extinción del arco, ha adoptado un pistón de compresión de gas más pequeño. Las ventajas traídas por la reducción del pistón en la cámara de extinción del arco son las siguientes:

• Se reduce la masa de todo el sistema de movimiento durante el proceso de interrupción del producto.

• Se reduce la potencia de operación del producto.

• El amortiguamiento del producto se vuelve más fácil, y la vida mecánica es larga.

2.3 Interruptores SF₆ de Autoenergía

Los interruptores SF₆ de autoenergía tienen dos principios de extinción del arco: el principio de expansión térmica y el principio de rotación del arco. Actualmente, la gran mayoría de los interruptores de autoenergía utilizan el principio de expansión térmica. El principio de autoenergía es utilizar la energía del arco para calentar el gas SF₆ en la cámara de expansión, construir presión, formar un flujo de gas y extinguir el arco. Sin embargo, al interrumpir corrientes pequeñas, debido a la pequeña energía del arco, se requiere un pistón pequeño para comprimir el gas y formar un soplado auxiliar. Debido a la reducción significativa de la potencia de operación, se puede usar un mecanismo de operación de resorte con una estructura simple. El tipo de expansión térmica ya se ha desarrollado hasta la segunda generación. Los productos de primera generación logran el efecto de reducir la potencia de operación al reducir la energía de compresión de gas requerida para la extinción del arco. El diámetro del pistón de compresión de gas se diseña según la interrupción del 30% de la corriente máxima de falla, y la masa de movimiento también es pequeña, lo que reduce la potencia de operación. Los productos de segunda generación mejoran aún más el efecto de expansión térmica y el rendimiento de interrupción, no solo mejorando la interrupción de corriente capacitiva, sino también reduciendo aún más la potencia de operación.

2.4 Interruptores SF₆ Inteligentes

Otra característica de los interruptores de alta tensión modernos es su inteligencia, evolucionando desde sistemas electromecánicos tradicionales a sistemas inteligentes modernos centrados en computadoras. Actualmente, los contenidos de detección en línea de los interruptores de alta tensión son los siguientes:

• Gas SF6;

• Sistema de mecanismo de operación;

• Liberación;

• Circuitos de control y auxiliares;

• Cadena de transmisión de energía.

A través de estas detecciones, se pueden descubrir más del 90% de los fallos. La detección en línea puede cambiar el mantenimiento regular de los interruptores a un mantenimiento basado en estado en tiempo real.

3. Interruptores SF₆ de Tipo Poste de Porcelana y de Tipo Tanque y Sus Aplicaciones

China aplicó por primera vez los interruptores SF₆ en 1970, cuando la Administración de Electricidad del Noreste importó tres interruptores SF₆ de tipo poste de porcelana H-912 de 220KV de doble presión producidos por Siemens desde el extranjero e instalados en la subestación principal de HuShitai en Shenyang. Aún hoy operan bien.

Los interruptores de alta tensión de hexafluoruro de azufre se dividen en tipo poste de porcelana y tipo tanque según su estructura. Al comparar ambos, cada uno tiene sus propias características:

• Tanto los interruptores SF₆ de tipo poste de porcelana como de tipo tanque pueden satisfacer los requisitos de alta tensión y gran capacidad. La cámara de extinción del arco del tipo poste de porcelana está instalada en el soporte aislante. Al conectar las cámaras de extinción del arco en serie e instalarlas en el soporte aislante a una altura adecuada, se puede obtener cualquier valor de tensión nominal. El soporte aislante suele ser un poste de porcelana, aunque también han surgido soportes compuestos orgánicos. La cámara de extinción del arco del tipo tanque está instalada en un tanque metálico conectado a la tierra. Bajo alta tensión, se necesitan varias cámaras de extinción del arco conectadas en serie e instaladas en el mismo tanque para cada fase.

• Instalación de transformadores de corriente. En cuanto a la instalación de transformadores de corriente, los interruptores de tipo poste de porcelana están en desventaja. Dado que la cámara de extinción del arco del tipo poste de porcelana está instalada dentro del aislante y en la parte superior del soporte aislante, el transformador de corriente debe instalarse por separado en su propio soporte aislante. Sin embargo, el transformador de corriente de tipo buje puede instalarse en el buje del interruptor de tipo tanque. En algunos escenarios de aplicación, el interruptor no necesita estar equipado con un transformador de corriente, especialmente cuando se usa como interruptor para conmutar bancos de condensadores y reactancias en paralelo. Aquí, el precio del tipo poste de porcelana es solo el 60% del precio del interruptor de tipo tanque, y debido al uso de múltiples fracturas, puede resistir mejor los restrikes.

• Capacidad de soporte de tensión externa. Desde la perspectiva de la tensión externa, las múltiples cámaras de extinción del arco en serie del interruptor de tipo poste de porcelana pueden satisfacer cualquier valor de tensión nominal, pero su capacidad aislante externa está limitada por la longitud de la cámara de extinción del arco en sí. Para el interruptor de tipo tanque, siempre que se pueda desarrollar la capacidad de soporte necesaria para reducir el número de fracturas, se puede fabricar un buje aislante. Por lo tanto, el interruptor de tipo tanque puede lograr una fractura única de 550kV/63kA y una doble fractura de 1100kV/50kA.

• Consumo de gas SF₆. En cuanto al consumo de gas SF₆, el tipo poste de porcelana es superior al tipo tanque. El consumo de gas del interruptor de tipo tanque es mucho mayor que el del tipo poste de porcelana.

• Adaptabilidad ambiental. Desde la perspectiva de la adaptabilidad ambiental, el interruptor de tipo tanque de gran volumen muestra sus ventajas. Se puede instalar un calentador en el interruptor de tipo tanque, mientras que no se puede instalar en el tipo poste de porcelana.

• Resistencia a sismos. Desde la perspectiva de la resistencia a sismos, el interruptor de tipo tanque es mucho mejor que el tipo poste de porcelana. Dado que el interruptor de tipo poste de porcelana tiene un centro de gravedad alto, su resistencia a sismos es pobre.

• Comparación de precios. En términos de precio, para la misma capacidad, el interruptor de tipo poste de porcelana es mejor que el tipo tanque. Generalmente, el precio del interruptor de tipo tanque es aproximadamente 20% mayor que el del interruptor de tipo poste de porcelana con un transformador de corriente externo (como un transformador SF₆).

4. Problemas a Tener en Cuenta Durante la Operación y Mantenimiento de los Interruptores SF₆

Para controlar estrictamente las fugas de gas y prevenir la invasión de humedad, la tecnología de procesamiento y los requisitos de material son mucho más altos que los de los aparatos eléctricos de alta tensión generales. Al mismo tiempo, se requiere un sistema especial de gas SF₆, que incluye una válvula con buen sellado, equipos de detección de fugas, un dispositivo de recuperación de gas y monitoreo de presión. Además, debido al gran consumo de metal, se aumenta la complejidad de la fabricación.

El gas SF₆ puro es incoloro, inodoro, no tóxico y no inflamable. Sin embargo, en la síntesis de hexafluoruro de azufre, también se producen compuestos de azufre de bajo fluor, que son tóxicos. En el interruptor, el gas se descompone a alta temperatura del arco mediante disociación e ionización, generando gases altamente tóxicos. Por lo tanto, se instala un adsorbente en el interruptor, y se coloca aluminio activado en él para absorber estos gases tóxicos.

Aun así, se debe prestar especial atención para prevenir la intoxicación durante el mantenimiento. Por lo tanto, el gas debe ser evacuado y descargado limpiamente antes de comenzar el trabajo. Si aún se percibe un olor desagradable, se deben usar una máscara de gas y guantes de goma. Además, los productos de descomposición del arco también contienen algunos fluoruros de metales, que se dispersan en el interruptor en forma de polvo. Aunque estos polvos no son sustancias altamente tóxicas, se deben tomar precauciones para evitar inhalarlos durante la limpieza.

5. Conclusión

Con el constante aumento de la tensión del sistema eléctrico, ya sea el tipo poste de porcelana o el tipo tanque de los interruptores SF₆, estos están en constante evolución con el progreso tecnológico. En particular, en los últimos años, se ha desarrollado y aplicado el principio de extinción del arco de autoenergía, es decir, se utiliza una alta presión para formar un soplado de gas para extinguir el arco. Se reduce el número de fracturas, y se disminuye el consumo de materiales.

Debido a su precio relativamente alto y a los altos requisitos para la aplicación, gestión y operación del gas SF₆, no se aplica ampliamente en media tensión (35kV, 10kV). En general, los interruptores SF₆ de alta tensión tienen un amplio panorama de aplicación, y la investigación, desarrollo y actualización tecnológica de los productos traerán importantes beneficios económicos y sociales.