Qué Ocurre Cuando un Interruptor de Circuito al Vacío Pierde el Vacío Resultados Reales de Pruebas Revelados

¿Qué ocurre cuando un interrumpidor de vacío pierde su vacío?

Si un interrumpidor de vacío pierde su vacío, se deben considerar los siguientes escenarios operativos:

• Apertura de contactos

• Operación de cierre

• Cerrado y funcionando normalmente

• Apertura e interrupción de la corriente normal

• Apertura e interrupción de una corriente de fallo

Los casos a, b y c son relativamente sencillos. En estas situaciones, el sistema generalmente no se ve afectado por la pérdida de vacío.

Sin embargo, los casos d y e requieren una discusión adicional.

Supongamos que un interruptor de circuito de alimentador trifásico de vacío pierde el vacío en uno de sus polos. Si la carga servida por el interruptor defectuoso es una carga conectada en delta (sin conexión a tierra), las operaciones de conmutación no llevarán a un fallo. Esencialmente, no ocurre nada. Las dos fases sanas (por ejemplo, Fase 1 y Fase 2) interrumpen exitosamente el circuito, y la corriente en la fase defectuosa (Fase 3) cesa naturalmente.

Una situación diferente se presenta con cargas a tierra. En este caso, la interrupción por las dos fases sanas no detiene el flujo de corriente en la fase defectuosa. Un arco persiste en la Fase 3 sin nada que lo extinga, y esta corriente continúa hasta que opera la protección de respaldo. El resultado suele ser un daño catastrófico para el interruptor.

Dado que los interruptores de circuito de vacío en el rango de 3–15 kV se utilizan principalmente en sistemas a tierra, investigamos los efectos de un interrumpidor fallido en nuestro laboratorio de pruebas hace años. Exponemos deliberadamente un interrumpidor de vacío a la presión atmosférica ("aplanándolo") y luego sometimos el interruptor a una prueba completa de interrupción de cortocircuito.

Como se predijo, el interrumpidor "aplanado" no logró eliminar el fallo en la fase afectada y fue destruido. El interruptor de respaldo del laboratorio eliminó exitosamente el fallo.

Después de la prueba, el interruptor se retiró de la celda de tablero. Estaba muy ennegrecido pero mecánicamente intacto. Se limpió el humo y el hollín del interruptor y del tablero, se reemplazó la unidad defectuosa y se reintrodujo el interruptor en la celda. Ese mismo día, se realizó otra prueba de cortocircuito—exitosamente. Años de experiencia en campo posterior han confirmado los hallazgos de estas pruebas de laboratorio.

Uno de nuestros clientes, una importante empresa química, experimentó fallos aislados en configuraciones de circuito similares (uno con un interruptor magnético de aire, otro con un interruptor de vacío) en dos instalaciones diferentes en países distintos. Ambos compartían una configuración de circuito común y un modo de fallo: un circuito de empalme donde las fuentes de energía a ambos lados del interruptor estaban fuera de sincronización, aplicando casi el doble del voltaje nominal a través del espacio de contacto. Esto causó el fallo del interruptor.

Estos fallos se debieron a condiciones de aplicación que violaron las pautas de ANSI/IEEE y superaron con creces las clasificaciones de diseño del interruptor. No indican un defecto de diseño. Sin embargo, la magnitud del daño es instructiva:

• En el caso del interruptor magnético de aire, la carcasa de la unidad se rompió violentamente. Las celdas de tablero adyacentes a ambos lados sufrieron daños extensos, requiriendo una reconstrucción mayor. El interruptor fue una pérdida total.

• En el caso del interruptor de vacío, el fallo fue significativamente menos violento. Se reemplazó el interrumpidor de vacío defectuoso, se limpiaron los subproductos del arco (hollín) del interruptor y de la celda, y el sistema volvió a estar en servicio.

Nuestras extensas pruebas de laboratorio, donde regularmente llevamos los interrumpidores de vacío a sus límites, respaldan estos resultados del mundo real.

Recientemente, se realizaron varias pruebas de alta potencia en nuestro laboratorio para evaluar intentos de interrupción utilizando interrumpidores de vacío "con fugas". Se perforó un pequeño agujero (~3 mm de diámetro) en la carcasa del interrumpidor para simular la pérdida de vacío. Los resultados fueron reveladores:

• Una corriente normal de 1,310 A (corriente continua nominal: 1,250 A) fue interrumpida por un polo de un interruptor de vacío. La corriente fluyó a través del interruptor "defectuoso" durante 2.06 segundos antes de que el interruptor de respaldo del laboratorio eliminara el fallo. No se expulsaron partes, el interruptor no explotó y solo la pintura de la carcasa del interrumpidor se ampolló. No ocurrió ningún otro daño.

• Un segundo polo del mismo interruptor intentó interrumpir 25 kA (corriente de ruptura nominal: 25 kA). El arco duró 0.60 segundos antes de que el interruptor del laboratorio eliminara el fallo. El arco quemó un agujero en el lado de la carcasa del interrumpidor. No hubo explosión ni desprendimiento de fragmentos. Partículas incandescentes fueron expulsadas del agujero, pero no se dañaron componentes mecánicos ni interruptores adyacentes. Todo el daño se confinó al interrumpidor fallido.

Estas pruebas confirman que las consecuencias de un fallo de un interrumpidor de vacío son significativamente menos severas en comparación con los fallos en otras tecnologías de interrupción.

Pero la verdadera pregunta no es qué ocurre cuando falla, sino ¿cuán probable es que falle?

Las tasas de fallo de los interrumpidores de vacío son extremadamente bajas. La pérdida de vacío ya no es una preocupación significativa.

A principios de la década de 1960, los interrumpidores de vacío eran propensos a fugas—esto era un problema importante. Los diseños iniciales usaban uniones soldadas o braseadas entre materiales disímiles, sin materiales orgánicos. La artesanía manual era común, especialmente con aislantes de vidrio borosilicato, que no podían soportar altas temperaturas.

Hoy en día, se utilizan soldadura por máquina y braseado por horno de inducción en lotes con controles de proceso extremadamente estrictos. La única parte móvil dentro de un interrumpidor de vacío es el contacto de cobre, conectado a la placa final a través de una campana de acero inoxidable soldada. Dado que ambos extremos de la campana están soldados, la tasa de fallo de este sello móvil es excepcionalmente baja—demostrando la alta confiabilidad de los modernos interruptores de circuito de vacío.

De hecho, la MTTF (Tiempo Medio Hasta el Fallo) de los modernos interrumpidores de vacío se estima ahora en 57,000 años.

Las preocupaciones de los clientes sobre la pérdida de vacío eran válidas en la década de 1960, cuando los interruptores de vacío eran nuevos en las aplicaciones de energía. En ese momento, los interrumpidores de vacío a menudo tenían fugas, y los problemas de sobretensiones eran comunes. Solo una empresa ofrecía interruptores de vacío, y los informes indicaban numerosos problemas.

Para mediados de la década de 1970, los interrumpidores de vacío desarrollados en Europa—como los diseños modernos de Siemens—diferían fundamentalmente de los modelos de los años 1960 en materiales y control de proceso. Los contactos de cobre-bismuto eran más propensos a las sobretensiones que las aleaciones de cromo-cobre actuales. Los interrumpidores construidos a mano eran más propensos a las fugas que las unidades fabricadas con precisión de hoy en día.

Hoy en día, el riguroso control de proceso y la automatización han eliminado la mayoría de las variabilidades humanas. Como resultado, los modernos interrumpidores de vacío ofrecen una larga vida útil, y el estrés dieléctrico que imponen en el equipo conectado no es peor que el de los interruptores de circuito de aire magnético o de aceite tradicionales.