“La maniobra
controlada” es el término normalmente utilizado para describir la utilización
de equipos de control electrónicos (controladores) con el fin de facilitar el funcionamiento
de los contactos de un dispositivo de maniobra a un punto predeterminado en
relación con una señal eléctrica de referencia.
El término
apertura controlada hace referencia a la técnica de control de la separación de
los contactos de cada polo de un interruptor en relación con el ángulo de fase
de la corriente y el control del tiempo del arco para minimizar las perturbaciones
en los componentes de la red. De manera similar, estas perturbaciones pueden
limitarse utilizando el cierre controlado (inicio de la corriente) en relación
con la forma de onda de la tensión de la red (ángulo de fase).
Origen del problema
Se sabe que las
maniobras de los interruptores de alta tensión originan perturbaciones en
función de la carga conmutada (reactancias, condensadores, transformadores,
líneas de transmisión).
Ver artículo
“Sobretensiones de maniobra” en este link:
Existen varias
soluciones para controlar los transitorios de maniobra, tales como resistencias
e inductancias de pre-inserción en la apertura y cierre, que permiten limitar
corrientes y tensiones (Fig. 1), las autoválvulas para limitar sobretensiones,
y la solución indicada de las “maniobras controladas” a través de los
denominados “interruptores síncronos” que permiten elegir el instante óptimo
para abrir o cerrar el interruptor en función de la tensión de la red.
En rojo: Condensadores de Nivelación: Se utilizan para distribuir
mejor el voltaje entre las cámaras de corte
En verde: Resistencias de Pre-Inserción: Previamente utilizadas
también para maniobras de bancos de condensadores y reactancias, hoy solamente
se utilizan para mitigar la sobretensión causada por la energización de líneas en
vacío
Figura 1: Cámaras de un interruptor ABB de 550 kV con resistencias
de pre inserción
Sin embargo, en la maniobra de transformadores de potencia, el flujo
residual del transformador está siempre presente en la desconexión. Mientras
que las sobretensiones generadas en la desconexión son de baja amplitud y generan
pocos transitorios, en el cierre incontrolado se pueden generar corrientes de magnetización
muy elevadas debido a la existencia de flujo remanente. Estas corrientes de conexión
son ricas en armónicos y con un contenido de corriente continua muy importante.
Pueden provocar perturbaciones
eléctricas y mecánicas que afectarán al transformador dependiendo de las
condiciones de la red en el momento de la maniobra, pueden igualmente crear
sobretensiones transitorias severas (TOV-Temporary Over Voltages). Estas
últimas pueden exceder la capacidad energética de absorción de las autoválvulas
exponiendo a los equipos de la instalación a sobretensiones que superan sus
límites asignados. Pueden igualmente causar un funcionamiento no deseado en los
circuitos de protección y provocar un grave impacto en la calidad de servicio.
Los
controladores de maniobra incluyen un sistema de control que limitan estas
corrientes de conexión a valores muy reducidos, la orden de cierre del
interruptor que alimenta el transformador es sincronizada con el valor
instantáneo de la tensión de alimentación. El tiempo apropiado de cierre del
interruptor se determina con la ayuda de los valores de tensión mostrados
durante la apertura precedente del interruptor. Sobre la base de estos valores,
se calcula el flujo remanente en el núcleo del transformador y se determina el
mejor instante de su cierre.
Figura 2: Controlador
Switchsync PWC600 de ABB
Maniobras
controladas
La
disponibilidad de interruptores automáticos con mecanismos de actuación
independiente para cada polo, tanto en AT como en MT, crea las bases para una conmutación síncrona.
Esta
técnica de conmutación supone que los polos del interruptor funcionan independientemente,
abriéndose o cerrándose cada uno de ellos, con la intervención de un
controlador, en el momento más apropiado en función de las condiciones de corriente
y/o tensión vigentes en la fase correspondiente.
Figura
3: Disposición de los accionamientos individuales de
cada
polo en un interruptor de AT con cuatro
cámaras de corte
“El controlador” introduce un tiempo total Ttotal en la maniobra que puede expresarse como la suma
del tiempo de espera y el tiempo de sincronización de fase:
Donde:
Tw:
intervalo de tiempo de espera utilizado por el controlador para los cálculos
internos
Tcont:
tiempo de sincronización determinado
Para
la apertura controlada:
Para el
cierre controlado:
Siendo:
NTcero: intervalo de tiempo requerido en relación con el paso
por cero de la tensión
Tarco: tiempo de cebado del arco
Tapertura: intervalo entre el inicio del movimiento de la
bobina de apertura y la separación de los contactos Tseparación
Tm:
intervalo entre el instante donde la corriente comienza a circular tcierre y el paso por cero
siguiente de la tensión
Tprearco:
tiempo de pre-cebado
Tcontacto:
intervalo de tiempo comprendido entre el inicio del movimiento del circuito de
cierre del interruptor y el momento de tocarse los contactos tcontacto
Tcierre:
intervalo de tiempo comprendido entre el inicio del movimiento del circuito de
cierre del interruptor y el instante donde la corriente comienza a circular,
instante del cierre real tcierre
Figura 5: Secuencia esquemática de apertura
Figura 6: Secuencia esquemática de cierre
De esta forma se pueden definir respectivamente las secuencias de tiempo
esquemáticas de apertura y cierre indicadas en las figuras. En la práctica es
más común para el cierre controlado ya que las aperturas no siempre son
realizadas por los operarios como sucede en los casos de intervención de las
protecciones.
Los interruptores empleados para maniobras controladas pueden ser
configurados para una maniobra independiente de las fases donde, de manera
alternativa, pueden ser “maniobrados de forma agrupada” con un solo mecanismo
de mando y un decalage mecánico fijado entre los polos. Las consideraciones
básicas son idénticas para los dos tipos, sin embargo, para los interruptores
maniobrados de manera tripolar, que poseen un decalage entre fases por medios mecánicos, ∆Tcont es el mismo para los
tres polos. Por este hecho, las distorsiones eventuales con relación a los
valores ideales a frecuencia industrial en las señales de tensión o de
corriente no pueden ser tomadas en cuenta por el controlador ya que todos los
polos se conectan de manera mecánica.
Ventajas de las “maniobras controladas”
Como se ha
indicado anteriormente, las maniobras controladas minimizan los esfuerzos
eléctricos y mecánicos producidos tanto en el lado de alimentación como en el
de carga del circuito conmutado, así como en el propio interruptor cuando se
corta la corriente. De igual forma, se minimiza la cantidad de energía que debe
ser disipada en las cámaras del interruptor y se reduce enormemente cualquier sobretensión
derivada de las maniobras, tales como los picos de corriente de conexión y las
sobretensiones que se producen durante la energización de transformadores y
condensadores.
La precisión del
control es tan grande que se puede sincronizar el desplazamiento de los
contactos móviles con el paso por cero de la corriente en cada fase.
REFERENCIAS:
WG A3.07, “Controlled Switching of HVAC Circuit
Breakers – Guide for Application”, ELECTRA N°183 /185, pp. 43-73/36-57, 1999.
WG A3.07, “Controlled Switching of HVAC Circuit
Breakers – Planning, Specifications & Testing of Controlled Switching
Systems”, ELECTRA N°197, pp.23-733, August 2001.
J. H. Brunke, K. J. Fröhlich, “Elimination of
transformer inrush currents by controlled switching”, IEEE Transactions on
Power Delivery, vol. 16, issue 2, pp. 276-285, April 2001.
Carlo Cereda ABB SACE TMS, Carlo
Gemme ABB
Ricerca SpA, Christian
Reuber ABB
Calor Emag Mittelspannung GmbH: Interruptor automático síncrono, de media tensión, con accionamiento
magnético y control electrónico
Switchsync
PWC600: Catálogo ABB
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