Interruptores de corrente de vacío para conmutación de bancos de condensadores

Compensación de potencia reactiva e interconexión de capacitores nos sistemas eléctricos

A compensación de potencia reactiva é un medio eficaz para aumentar o voltaxe de operación do sistema, reducir as perdas na rede e mellorar a estabilidade do sistema.

Cargas convencionais nos sistemas eléctricos (tipos de impedancia):

• Resistencia

• Reactancia inductiva

• Reactancia capacitiva

Corrente de sobrecarga durante a energización do capacitor

Na operación dos sistemas eléctricos, os capacitores son interconectados para mellorar o factor de potencia. No momento do cierre, xénese unha gran corrente de sobrecarga. Isto ocorre porque, durante a primeira energización, o capacitor está sen carga, e a corrente que fluye a través del está limitada só polo impedancia do circuito. Como a condición do circuito é próxima a un curto-circuito e a impedancia do circuito é moi pequena, fluye unha gran corrente transitoria de sobrecarga ao capacitor. A corrente de pico de sobrecarga ocorre no instante do cierre.

Se o capacitor volve a ser energizado pouco despois da desconexión sen suficiente descarga, a corrente de sobrecarga resultante pode chegar a ser dúas veces maior que a da primeira energización. Isto ocorre cando o capacitor aínda ten carga residual, e o recierre ocorre no momento en que o voltaxe do sistema é igual en magnitude pero oposto en polaridade ao voltaxe residual do capacitor, resultando nunha gran diferenza de voltaxe e, polo tanto, nunha alta corrente de sobrecarga.

Cuestións clave na interconexión de capacitores

• Reinflamación

• Reencendido

• NSDD (Descarga Destructiva Non Sustentable)

A reinflamación está permitida durante as probas de conmutación de corrente capacitiva. Os interruptores de circuito clasificanse en dúas categorías baseándose no seu rendemento de reencendido:

• Clase C1: Verificado por probas de tipo específicas (6.111.9.2), mostrando baixa probabilidade de reencendido durante a conmutación de corrente capacitiva.

• Clase C2: Verificado por probas de tipo específicas (6.111.9.1), mostrando moita baixa probabilidade de reencendido, adecuado para conmutación frecuente e de alta demanda de bancos de capacitores.

Melorar a taxa de éxito dos interruptores de circuito a vacío para a conmutación de capacitores

1. Mejorar a resistencia dieléctrica dos interruptores a vacío

O interruptor a vacío é o corazón dun interruptor de circuito a vacío e xoga un papel crítico na conmutación exitosa de capacitores. Os fabricantes deben optimizar o deseño e os materiais para lograr:

• Distribución uniforme do campo eléctrico

• Alta resistencia á soldadura

• Nivel de corte de corrente menor

As melloras estructurais e de material son esenciais para asegurar a interrupción fiable.

2. Controlar o proceso de fabricación do interruptor a vacío

• Minimizar e eliminar as rebabas durante o mecanizado das partes metálicas; mellorar o acabado superficial e a limpeza.

• Realizar a limpeza ultrasónica das compoñentes antes da montaxe para eliminar partículas microscópicas.

• Controlar a humidade e as partículas en suspensión na sala de montaxe.

• Reducir o tempo de almacenamento das compoñentes de contacto e montalas prontamente para minimizar a oxidación e a contaminación.

3. Mejorar o deseño e a calidade de montaxe do interruptor de circuito

Asegurar que as características mecánicas están dentro dos rangos óptimos:

• Aliñamento e instalación vertical da barra de conducción para evitar estrés.

• Enerxía de saída adecuada do mecanismo de funcionamento.

• Velocidades de cierre e apertura dentro dos límites aceptables.

• Minimizar o rebote de cierre e o rebote de apertura.

• Control estricto da calidade das compoñentes e da precisión de montaxe.

4. Operación a vacío e condicionamento (rodaxe)

Despois do montaxe, realizar 300 operacións a vacío para estabilizar as características mecánicas. Realizar o condicionamento de voltaxe e corrente alta no interruptor completo para eliminar as protrusións microscópicas e reducir a taxa de reinflamación durante a conmutación de capacitores.

O condicionamento en paralelo de capacitores pode mellorar rapidamente a resistencia dieléctrica do produto.

5. Optimizar a velocidade de apertura

Despois da interrupción, a separación de contactos dun interruptor de circuito a vacío debe soportar o dobre do voltaxe do sistema (2×Um) durante ata 13 ms. Os contactos deben alcanzar unha distancia aberta segura dentro deste tempo. Polo tanto, a velocidade de apertura debe ser suficiente, especialmente para interruptores de 40.5 kV.

6. Condicionamento (envellecemento) dos interruptores a vacío

• Métodos de baixo efecto: o condicionamento de alta tensión/baixa corrente, baixa tensión/alta corrente ou tensión impulsional teñen un efecto limitado na redución da reinflamación durante a conmutación de capacitores.

• Método eficaz: o condicionamento de alta tensión e alta corrente monofásica pode mellorar significativamente o rendemento.

• Tamén se utiliza o condicionamento co circuito de proba sintético para simular as condicións reais de conmutación de capacitores.

Para aplicacións xerais, aplícase o condicionamento estándar. Pero para a conmutación de capacitores, requirese un condicionamento especial para mellorar o rendemento eléctrico e a capacidade inicial de interrupción.

Parámetros de condicionamento:

• Condicionamento de corrente:
  3 kA a 10 kA, media onda de 200 ms, 12 disparos por polaridade (positiva e negativa).

• Condicionamento de presión:

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

• Condicionamento de conexión-desconexión (para contactos con campo magnético transversal): realizar operacións de conexión e desconexión nun banco de proba que simule o movemento real do interruptor.

• Condicionamento de tensión:
  Aplicar tensión AC de 50 Hz que supere con creces a tensión nominal (por exemplo, 110 kV para un interruptor de 12 kV) durante 1 minuto.

Parámetros de proba para a conmutación de capacitores

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

• IEC 62271-100 / Normas ANSI:

• Conmutación de bancos de capacitores: corrente 600 A, sobrecarga 15 kA, frecuencia 2000 Hz

• Corrente de conmutación 1000 A, sobrecarga 15 kA, frecuencia 1270 Hz

• ANSI permite até 1600 A para a conmutación de capacitores.

Despois do condicionamento adecuado, un interruptor de circuito a vacío de 12 kV pode pasar típicamente:

• 400 A de conmutación de bancos de capacitores en paralelo

• 630 A de conmutación de un solo banco de capacitores

No entanto, para sistemas de 40.5 kV, isto é extremadamente desafiante. As solucións comúns inclúen:

• Utilizar interruptores de circuito SF₆ con características de interrupción máis suaves

• Utilizar interruptores de circuito a vacío de dobre interrupción, onde dous interruptores están conectados en serie. Isto mellora significativamente a forza de recuperación dieléctrica, permitindo que supere a taxa de aumento de sobretenso transitorio durante a conmutación de capacitores, logrando así a extinción exitosa do arco.