Un artículo para entender cómo seleccionar los parámetros mecánicos de los interruptores de circuito vacío

1. Distancia de contacto nominal

Cuando un interruptor de circuito a vacío está en posición abierta, la distancia entre los contactos móviles y fijos dentro del interructor de vacío se conoce como la distancia de contacto nominal. Este parámetro está influenciado por varios factores, incluyendo el voltaje nominal del interruptor, las condiciones de operación, la naturaleza de la corriente de interrupción, el material de los contactos y la resistencia dieléctrica del espacio al vacío. Principalmente depende del voltaje nominal y el material de los contactos.

La distancia de contacto nominal afecta significativamente el rendimiento aislante. A medida que la distancia aumenta desde cero, la resistencia dieléctrica mejora. Sin embargo, más allá de cierto punto, aumentar aún más la distancia produce rendimientos decrecientes en el rendimiento aislante y puede reducir severamente la vida mecánica del interructor.

Basándose en la experiencia de instalación, operación y mantenimiento, los rangos típicos de la distancia de contacto nominal son:

• 6 kV y menos: 4–8 mm

• 10 kV y menos: 8–12 mm

• 35 kV: 20–40 mm

2. Recorrido del contacto (sobrecarrera)

El recorrido del contacto debe seleccionarse para asegurar que se mantenga una presión de contacto suficiente incluso después del desgaste del contacto. También proporciona al contacto móvil energía cinética inicial durante la apertura, aumentando la velocidad inicial de apertura para romper uniones soldadas, reducir el tiempo de arco y acelerar la recuperación dieléctrica. Durante el cierre, permite que el resorte del contacto proporcione un amortiguamiento suave, minimizando el rebote del contacto.

Si el recorrido del contacto es demasiado pequeño:

• Presión de contacto insuficiente después del desgaste

• Velocidad inicial de apertura baja, afectando la capacidad de interrupción y la estabilidad térmica

• Rebote y vibración severos durante el cierre

Si el recorrido del contacto es demasiado grande:

• Energía de cierre requerida mayor

• Fiabilidad reducida de la operación de cierre

Generalmente, el recorrido del contacto es del 20% al 40% de la distancia de contacto nominal. Para interruptores de circuito a vacío de 10 kV, esto suele ser de 3 a 4 mm.

3. Presión de operación del contacto

La presión de operación de los contactos de un interruptor de circuito a vacío tiene un impacto significativo en el rendimiento. Es la suma de la fuerza de cierre inherente del interructor de vacío y la fuerza del resorte del contacto. La selección adecuada debe cumplir cuatro requisitos:

• Mantener la resistencia de contacto dentro de los límites especificados

• Cumplir con los requisitos de las pruebas de estabilidad dinámica

• Suprimir el rebote de cierre

• Reducir la vibración de apertura

El cierre bajo corriente de cortocircuito es la condición más exigente: las corrientes pre-arco generan repulsión electromagnética, causando rebote del contacto, mientras que la velocidad de cierre es la más baja. Esta situación pone a prueba críticamente si la presión de contacto es suficiente.

Si la presión de contacto es demasiado baja:

• Tiempo de rebote de cierre mayor

• Resistencia del circuito principal mayor, lo que lleva a un aumento excesivo de temperatura durante la operación continua

Si la presión de contacto es demasiado alta:

• Fuerza del resorte mayor (ya que la fuerza de cierre inherente es constante)

• Requisito de energía de cierre mayor

• Impacto y vibración mayores en el interructor de vacío, arriesgando daños

En la práctica, la fuerza electromagnética del contacto depende no solo de la corriente de cortocircuito máxima sino también de la estructura, tamaño, dureza y velocidad de apertura del contacto. Se requiere un enfoque integral.

Datos empíricos de la presión de contacto basados en la corriente de interrupción:

• 12.5 kA: 50 kg

• 16 kA: 70 kg

• 20 kA: 90–120 kg

• 31.5 kA: 140–180 kg

• 40 kA: 230–250 kg

4. Velocidad de apertura

La velocidad de apertura afecta directamente la tasa de recuperación de la resistencia dieléctrica después del cero de corriente. Si la recuperación de la resistencia dieléctrica es más lenta que la tensión de recuperación creciente, puede ocurrir la reencendido del arco. Para prevenir el reencendido y minimizar el tiempo de arco, es esencial una velocidad de apertura adecuada.

La velocidad de apertura depende principalmente del voltaje nominal. Para un voltaje y una distancia de contacto fijos, la velocidad requerida varía con la corriente de interrupción, el tipo de carga y la tensión de recuperación. Corrientes de interrupción más altas y corrientes capacitivas (con alta tensión de recuperación) requieren velocidades de apertura más altas.

Velocidad de apertura típica para interruptores de vacío de 10 kV: 0.8–1.2 m/s, a veces superando 1.5 m/s.

En la práctica, la velocidad de apertura inicial (medida en los primeros pocos milímetros) tiene un mayor impacto en el rendimiento de interrupción que la velocidad promedio. Los interruptores de alto rendimiento y de 35 kV a menudo especifican esta velocidad inicial.

Aunque una mayor velocidad parece beneficiosa, una velocidad excesiva aumenta la vibración y la sobrecarrera, intensificando la tensión en las campanas y conduciendo a fatiga prematura y fugas. También aumenta la tensión mecánica en el mecanismo, arriesgando fallos de componentes.

5. Velocidad de cierre

Debido a la alta resistencia dieléctrica estática de los interructores de vacío a la distancia nominal, la velocidad de cierre requerida es significativamente menor que la de apertura. Una velocidad de cierre adecuada es necesaria para minimizar la erosión eléctrica pre-arco y prevenir la soldadura del contacto. Sin embargo, una velocidad de cierre excesiva aumenta la energía de cierre y somete al interructor a un mayor impacto, reduciendo la vida útil.

Velocidad de cierre típica para interruptores de vacío de 10 kV: 0.4–0.7 m/s, hasta 0.8–1.2 m/s si es necesario.

6. Tiempo de rebote de cierre

El tiempo de rebote de cierre es un indicador clave del rendimiento del interruptor de circuito a vacío. Está influenciado por la presión de contacto, la velocidad de cierre, la distancia de contacto, el material del contacto, el diseño del interructor, la estructura del interruptor y la calidad de la instalación/ajuste.

Un tiempo de rebote más corto indica mejor rendimiento. Un rebote excesivo causa erosión eléctrica severa, aumenta el riesgo de sobretensión y puede llevar a la soldadura del contacto durante operaciones de cortocircuito o conmutación de capacitores, así como en pruebas de estabilidad térmica. Un rebote prolongado también acelera la fatiga de las campanas.

Para interruptores de vacío de 10 kV con contactos de cobre-cromo, el tiempo de rebote de cierre no debe exceder 2 ms. Para otros materiales, puede ser ligeramente mayor pero no debe exceder 5 ms.

7. Sincronismo de tres polos

El sincronismo de tres polos mide el grado de simultaneidad en el cierre o apertura de los tres polos. Dado que los valores de sincronismo de apertura y cierre son similares, generalmente solo se especifica el sincronismo de cierre.

Un mal sincronismo afecta severamente la capacidad de interrupción y prolonga el tiempo de arco. Debido a las velocidades de operación rápidas y las pequeñas distancias, un ajuste preciso puede cumplir fácilmente con los requisitos. El sincronismo de cierre generalmente se requiere que esté dentro de 1 ms.

8. Alineación de los contactos móviles y fijos (coaxialidad)

Una alineación coaxial adecuada de los contactos móviles y fijos es crítica para el rendimiento del interructor de vacío y se asegura a través de la precisión de fabricación. Si esta alineación se mantiene después de la instalación depende del tipo de mecanismo de operación y el proceso de montaje.

Para mecanismos suspendidos, la alineación se determina principalmente por el mecanismo mismo. Para tipos de montaje en suelo, la alineación mecánica es igualmente importante. Durante la instalación, evite aplicar fuerzas de cizallamiento o laterales al interructor.

Tolerancia de coaxialidad típica: ≤2 mm.