Interruptores de vacío para la conmutación de bancos de condensadores

Compensación de Potencia Reactiva y Conmutación de Capacitores en Sistemas Eléctricos

La compensación de potencia reactiva es un medio eficaz para aumentar el voltaje de operación del sistema, reducir las pérdidas de red y mejorar la estabilidad del sistema.

Cargas Convencionales en Sistemas Eléctricos (Tipos de Impedancia):

• Resistencia

• Reactividad inductiva

• Reactividad capacitiva

Corriente de Inrush Durante la Energización del Capacitor

En la operación de sistemas eléctricos, los capacitores se conmutan para mejorar el factor de potencia. En el momento del cierre, se genera una gran corriente de inrush. Esto ocurre porque, durante la primera energización, el capacitor está sin carga, y la corriente que fluye hacia él está limitada solo por la impedancia del circuito. Dado que la condición del circuito es cercana a un cortocircuito y la impedancia del circuito es muy pequeña, fluye una gran corriente transitoria de inrush hacia el capacitor. La corriente de inrush máxima ocurre en el instante del cierre.

Si el capacitor se vuelve a energizar poco después de la desconexión sin una descarga suficiente, la corriente de inrush resultante puede ser hasta dos veces mayor que la de la primera energización. Esto sucede cuando el capacitor aún mantiene una carga residual, y el recierre ocurre en el momento en que el voltaje del sistema es igual en magnitud pero opuesto en polaridad al voltaje residual del capacitor, lo que resulta en una gran diferencia de voltaje y, por lo tanto, en una alta corriente de inrush.

Problemas Clave en la Conmutación de Capacitores

• Reiniciación

• Reencendido

• NSDD (Descarga Destructiva No Sostenida)

Se permite la reiniciación durante las pruebas de conmutación de corriente capacitiva. Los interruptores de circuito se clasifican en dos categorías según su rendimiento de reencendido:

• Clase C1: Verificado mediante pruebas de tipo específicas (6.111.9.2), mostrando una baja probabilidad de reencendido durante la conmutación de corriente capacitiva.

• Clase C2: Verificado mediante pruebas de tipo específicas (6.111.9.1), mostrando una probabilidad muy baja de reencendido, adecuado para la conmutación frecuente y de alta demanda de bancos de capacitores.

Mejorar la Tasa de Éxito de los Interruptores de Circuito al Vacío para la Conmutación de Capacitores

1. Mejorar la Resistencia Dieléctrica de los Interruptores al Vacío

El interruptor al vacío es el corazón de un interruptor de circuito al vacío y juega un papel crucial en la conmutación exitosa de capacitores. Los fabricantes deben optimizar el diseño y los materiales para lograr:

• Distribución uniforme del campo eléctrico

• Alta resistencia a la soldadura

• Nivel de corte de corriente más bajo

Las mejoras estructurales y de material son esenciales para garantizar una interrupción confiable.

2. Controlar el Proceso de Fabricación de los Interruptores al Vacío

• Minimizar y eliminar rebabas durante el mecanizado de piezas metálicas; mejorar el acabado superficial y la limpieza.

• Realizar limpieza ultrasónica de los componentes antes del ensamblaje para eliminar partículas microscópicas.

• Controlar la humedad y las partículas en suspensión en la sala de ensamblaje.

• Reducir el tiempo de almacenamiento de los componentes de contacto y ensamblarlos de manera oportuna para minimizar la oxidación y la contaminación.

3. Mejorar el Diseño y la Calidad de Ensamblaje del Interruptor de Circuito

Asegurar que las características mecánicas estén dentro de los rangos óptimos:

• Alineación y montaje vertical del varilla conductora para evitar tensiones.

• Energía de salida adecuada del mecanismo de operación.

• Velocidades de cierre y apertura dentro de límites aceptables.

• Minimizar el rebote de cierre y el retroceso de apertura.

• Control estricto de la calidad de los componentes y la precisión del ensamblaje.

4. Operación sin Carga y Acondicionamiento (Burn-in)

Después del ensamblaje, realizar 300 operaciones sin carga para estabilizar las características mecánicas. Realizar acondicionamiento de voltaje y corriente elevada en el interruptor completo para eliminar protuberancias microscópicas y reducir la tasa de reiniciación durante la conmutación de capacitores.

El acondicionamiento en paralelo de capacitores puede mejorar rápidamente la resistencia dieléctrica del producto.

5. Optimizar la Velocidad de Apertura

Después de la interrupción, la brecha de contacto de un interruptor de circuito al vacío debe soportar el doble del voltaje del sistema (2×Um) durante hasta 13 ms. Los contactos deben alcanzar una distancia de apertura segura dentro de este tiempo. Por lo tanto, la velocidad de apertura debe ser suficiente, especialmente para interruptores de 40.5 kV.

6. Acondicionamiento (Envejecimiento) de los Interruptores al Vacío

• Métodos de bajo efecto: el acondicionamiento de alto voltaje/baja corriente, bajo voltaje/alta corriente o tensión de impulso tiene un efecto limitado en la reducción del reencendido durante la conmutación de capacitores.

• Método efectivo: el acondicionamiento de alto voltaje y alta corriente monofásico puede mejorar significativamente el rendimiento.

• El acondicionamiento con circuito de prueba sintético también se utiliza para simular las condiciones reales de conmutación de capacitores.

Para aplicaciones generales, se aplica un acondicionamiento estándar. Sin embargo, para la tarea de conmutación de capacitores, se requiere un acondicionamiento especial para mejorar el rendimiento eléctrico y la capacidad inicial de interrupción.

Parámetros de Acondicionamiento:

• Acondicionamiento de Corriente:
  3 kA a 10 kA, media onda de 200 ms, 12 disparos por polaridad (positiva y negativa).

• Acondicionamiento de Presión:

• Presión estática (para contactos con campo magnético axial): aplicar 15–30 kN durante 10 segundos.

• Acondicionamiento de cierre y apertura (para contactos con campo magnético transversal): realizar operaciones de cierre y apertura en un banco de pruebas que simule el movimiento real del interruptor.

• Acondicionamiento de Voltaje:
  Aplicar voltaje AC de 50 Hz que supere ampliamente el voltaje nominal (por ejemplo, 110 kV para un interruptor de 12 kV) durante 1 minuto.

Parámetros de Prueba para la Conmutación de Capacitores

• GB/T 1984: Bancos de capacitores en paralelo, corriente de inrush 20 kA, frecuencia 4250 Hz.

• IEC 62271-100 / Estándares ANSI:

• Conmutación de bancos de capacitores: corriente 600 A, inrush 15 kA, frecuencia 2000 Hz

• Corriente de conmutación 1000 A, inrush 15 kA, frecuencia 1270 Hz

• ANSI permite hasta 1600 A para la conmutación de capacitores.

Después de un acondicionamiento adecuado, un interruptor de circuito al vacío de 12 kV generalmente puede pasar:

• Conmutación de bancos de capacitores en paralelo de 400 A

• Conmutación de un solo banco de capacitores de 630 A

Sin embargo, para sistemas de 40.5 kV, esto es extremadamente desafiante. Las soluciones comunes incluyen:

• Usar interruptores de circuito SF₆ con características de interrupción más suaves

• Usar interruptores de circuito al vacío de doble interrupción, donde dos interruptores están conectados en serie. Esto mejora significativamente la fuerza de recuperación dieléctrica, permitiéndole superar la tasa de aumento de sobretensión transitoria durante la conmutación de capacitores, logrando así la extinción exitosa del arco.