El mecanismo de funcionamiento de un
interruptor tiene la función, aparentemente ‘sencilla’, de mover los contactos
desde la posición cerrada a la abierta o viceversa y, una vez que la posición
requerida ha sido alcanzada, asegurar que los contactos permanezcan en esa posición
hasta que se haya dado la orden precisa de que vuelvan a cambiar de posición.
El mecanismo de funcionamiento es, por tanto, un actuador biestable típico. Esta
función ha sido realizada de forma muy fiable y segura durante muchos años
mediante dispositivos mecánicos de muelle y de retención. Sin embargo, las
oportunidades que ofrecen hoy los avances en electrónica de potencia han derivado
en la búsqueda de un dispositivo de funcionamiento más flexible y más fácil de controlar.
Obviamente, un requisito esencial de cualquier nuevo sistema era garantizar un
rendimiento igual o superior al del mecanismo tradicional basado en muelles,
tanto en términos de fiabilidad como de seguridad y durabilidad.
Una solución apropiada se ha encontrado en
el ‘actuador magnético’. Un sistema especialmente diseñado que combina
electroimanes con imanes permanentes proporciona la energía de funcionamiento
necesaria para el movimiento de los contactos, así como la esencial característica
biestable. Los interruptores de SF6 y de vacío son mantenidos en posición
abierta o cerrada por la fuerza de un imán permanente sin necesidad de energía
externa alguna. El cambio de estado de los contactos móviles es originado por
un cambio de dirección del campo magnético resultante de la excitación de los
electroimanes, que son los elementos de control del actuador. La modulación de
la corriente de alimentación de los electroimanes permite que la energía desarrollada
por el sistema sea ajustada a las necesidades de los diferentes tipos y valores
nominales de interruptores automáticos.
El mecanismo de funcionamiento
resultante tiene una construcción considerablemente más sencilla que el sistema
mecánico convencional.
La drástica reducción del número de
piezas disminuye inherentemente las posibilidades de fallo, reduciéndose al
mínimo el nivel de mantenimiento requerido. En la figura de cabecera se muestra
la construcción de dicho actuador, con núcleo de hierro laminado fijo, imanes
permanentes, inducido de acero y bobinas de apertura y cierre. Todas las
funciones auxiliares, tales como interbloqueo, señalización, desconexión, cierre,
etc., y las funciones de autodiagnóstico, son proporcionadas electrónicamente.
Un condensador electrolítico suministra la sobretensión transitoria necesaria
para la apertura y el cierre de las bobinas.
Construcción
básica de los dispositivos de conmutación
Los nuevos interruptores automáticos de
SF6 y de vacío accionados magnéticamente son totalmente intercambiables, tanto
entre sí como con diseños anteriores. Esta intercambiabilidad es de gran importancia
para los operadores de la instalación, dado que permite reequipar con mínimo
coste el instrumental de conmutación.
En la figura siguiente puede verse
claramente el número, tan pequeño, de componentes utilizados, lo cual reduce
significativamente la posibilidad de fallo.
Interruptores automáticos de Media Tensión, VM1 de vacío (a la derecha) yHM1 de SF6 de ABB, donde se aprecia el pequeño número de componentes.
La sencillez es también una de las
características del polo de vacío incrustado y del interruptor de SF6 que
utiliza la técnica del autotampón, especialmente idónea para las aplicaciones
de Media Tensión.
Gracias a la tecnología de
incrustaciones no se necesitan estructuras especiales de apoyo para el
interruptor o sus terminales.
Conmutación
rápida
Una propiedad importante del actuador
magnético, ya mencionada, es la versatilidad de sus funciones de control. El
aprovechamiento de su flexibilidad abre las puertas a nuevas soluciones para problemas
importantes asociados a la distribución eléctrica, cuya resolución, cuando ha
sido posible, ha supuesto siempre un alto coste. Uno de dichos problemas es la
rápida conmutación de transferencia entre fuentes de energía en el caso de
fallo en un sistema.
Este problema se ha puesto especialmente
de manifiesto durante los últimos años por causa de la multiplicación de las
cargas sensibles a la calidad de la energía, principalmente debida a la
utilización de equipos electrónicos. La solución actual, basada en dispositivos
de electrónica de potencia, es muy eficiente desde el punto de vista técnico,
pero al mismo tiempo excesivamente cara. La introducción del actuador magnético
ha permitido acelerar el funcionamiento de un interruptor automático de Media
Tensión hasta el mínimo absoluto, es decir, al puro tiempo de extinción del
arco. Mediante la utilización de interruptores automáticos de Media Tensión
accionados magnéticamente y de una electrónica básica apropiada, ha sido posible
reducir los tiempos de conmutación de transferencia de la fuente de potencia a
menos de 40 ms. Este tiempo es tan corto que resuelve la mayor parte de los
problemas provocados por las cargas sensibles a un coste muy competitivo comparado
con el de las soluciones basadas en la electrónica de potencia.
Interruptor
automático síncrono
La disponibilidad de estos nuevos
interruptores automáticos con mecanismos de actuación magnética tiene otra ventaja
importante, pues 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 en el momento más apropiado en función de las condiciones de
corriente y/o tensión imperantes en la fase correspondiente. La conmutación
síncrona minimiza los esfuerzos eléctrico y mecánico 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. Con la conmutación síncrona se
minimiza la cantidad de energía que debe ser disipada en la cámara de
interrupción y se reduce enormemente cualquier sobretensión derivada de la
operación de conmutación. Todas estas ventajas son resultado de un preciso
control del funcionamiento del interruptor, lo cual es posible gracias al actuador
magnético. La precisión del control es tan grande que se puede sincronizar el
término del desplazamiento del contacto móvil con el paso por cero de la
corriente en cada fase.
Además, la conmutación síncrona
minimiza, teóricamente incluso hasta el valor nulo, los picos de la corriente
de entrada y las sobretensiones que se producen durante la energización de las
cargas inductivas o capacitivas.
Dado el tipo de carga, estos resultados
se obtienen controlando el cierre de los contactos de acuerdo con el máximo de
corriente o de tensión. Las operaciones de cierre y apertura descritas se realizan
con una tolerancia máxima de ±0,5 ms y ±1 ms respectivamente. Estos valores son
una medida efectiva del avance tecnológico conseguido al combinar la electrónica
digital con el actuador magnético.
Esta evolución dará lugar a un aumento
de fiabilidad del sistema eléctrico en su conjunto, así como a una mayor
seguridad para los operarios y a una reducción de costes asociada a la
minimización del esfuerzo eléctrico y del desgaste del equipo eléctrico.
Integración
con sensores y electrónica
El hardware y software disponibles hoy
en día para ser utilizados con interruptores automáticos accionados
magnéticamente permiten dar un nuevo paso adelante hacia la integración funcional
completa. Con la programación informática adecuada y los sensores de corriente y
de tensión necesarios, hoy es posible la integración directa de las funciones
de protección en el sistema de control del interruptor.
Esto convierte al interruptor automático
en un dispositivo totalmente automatizado en materia de funciones de protección
y de conmutación, lográndose máxima fiabilidad como resultado de reducir al
mínimo los interfaces de los componentes. Esta total integración de las funciones
básicas del equipamiento de conmutación ha demostrado ser el camino correcto a
seguir en aplicaciones de distribución secundaria de Media Tensión, confirmando
que es una técnica puntera en el campo de equipamiento de Baja Tensión.
FUENTE:
Revista ABB 4/2000: En busca del interruptor idóneo de Media Tensión (Guenter Leonhardt, Mauro Marchi,
Giandomenico Rivetti).
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