Pruebas funcionales en Disyuntores de AT. (1ª Parte)

La finalidad y función de los disyuntores son:

• Ejecutar las instrucciones de los relés y otros dispositivos de control
• Desconectar cuando sucede un fallo en el sistema eléctrico 
• Desconectar los equipos durante el tiempo de parada de la instalación
• Desconectar en caso de intensidades de fuga o interrupción del servicio
• Conectar la instalación
• Desconectar eléctrica y mecánicamente
• Asegurar la protección del personal
• Desconectar para la seguridad simultáneamente

El funcionamiento de un disyuntor depende a veces de muy pequeños detalles (holguras, etc.) que hacen que la desconexión sea correcta o imposible.

Un disyuntor es a menudo menos sensible a daños ocasionados por desgastes, suciedades, corrosión, etc. cuando funciona habitualmente que un disyuntor que funciona cada varios meses o años. En el primer caso, el número de maniobras controlan los intervalos entre paradas mientras que en el segundo caso, las influencias ambientales (polvo, corrosión, etc.) son las que controlan dichas paradas.

Fundamentos de diseño

Existen diferentes diseños de disyuntores, muchos de ellos difieren fundamentalmente en el diseño del dispositivo de extinción del arco y en los sistemas de accionamiento.

La disposición de los contactos es muy variada dependiendo de las cámaras de extinción del arco (medio refrigerante y/o forma del corte del arco, por ejemplo soplado por aire comprimido o aceite dieléctrico).

● Cámaras de extinción del arco

• Aceite
• Vacío
• Gas (SF6)
• Soplado de aire comprimido
• Aire
• Solenoide

● Accionamiento

• Eléctrico (motorizado con resortes)
• Aire a presión/neumático
• Hidráulico
• Electromagnético

Los diversos tipos de disyuntores tienen una construcción mecánica en común que evita la corrosión, desgaste, humedad, bajas temperaturas, calor, envejecimiento, suciedad en el lubricante. Una investigación efectuada por el CIGRE muestra que el 80…90% de los fallos en disyuntores son en los mecanismos.

En este post se desarrollan las actividades de mantenimiento que pueden realizarse en los disyuntores de alta tensión de pequeño y gran volumen de aceite, SF6 y vacío, con mecanismo de operación por resortes, por ser los que más proliferan en Centros de Transformación y Subestaciones Eléctricas tanto de exterior como de interior al aplicar un programa de Mantenimiento Preventivo.

¿Cómo y por qué es necesario ensayar los disyuntores?

Debido a que los disyuntores son elementos de protección en circuitos de alta tensión, deben funcionar cumpliendo las especificaciones. Si fallan, pueden originar intensidades peligrosas (cortocircuitos).

No tiene sentido instalar equipos de control (relés, registradores, etc.) si el aparato activo falla.

Incluso en situaciones en que se puede esperar que el disyuntor cumpla su función primaria (conexión/desconexión), es aconsejable comprobar todas sus piezas y funciones que puedan afectar negativamente a la conexión/desconexión. Cualquier fallo persistente puede dañar a otros equipos conectados al sistema.

Objeto de las pruebas funcionales en disyuntores de AT 

1. Resistencia de contactos (utilizando un micróhmetro)
Evitar la transmisión de calor al punto de interrupción, a puntos de contacto y a sus acoplamientos físicos.

2. Tiempos de apertura y cierre
Minimizar el daño ocasionado por las intensidades de fuga
Minimizar el daño ocasionado por las sobretensiones

3. Tiempo de apertura + cierre (tentativa de cierre en presencia de una señal de apertura continua)
La apertura debe efectuarse rápidamente aunque exista una tentativa de cierre en presencia de un fallo continuo para evitar daños (el retraso de la señal del relé al disyuntor afecta al proceso de apertura y puede causar falta de selectividad, mal funcionamiento, rebotes, etc.).

4. Simultaneidad de fases
El cierre de todas las fases debe ser simultáneo desde el punto de vista práctico para evitar desfases, formación de sobreintensidades y secuencias incorrectas que pueden provocar el disparo de los relés de protección.
Todas las fases deben ser simultáneas para evitar sobretensiones y sobreintensidades que pueden causar desgastes anormales en contactos fijos y móviles durante su desplazamiento.

5. Tensión de disparo (tensión nominal mínima)
Bobina de cierre, bobina de apertura, motor de muelles.
Una tensión nominal baja no debe afectar al funcionamiento del disyuntor (IEC 62271-100)

6. Movimiento amortiguado del accionamiento
Evitar daños mecánicos
Evitar rebotes de los contactos

7. Tiempo de respuesta de las bobinas de cierre y apertura
Comprobar el dispositivo de apertura/cierre

8. Movimiento amortiguado de contactos principales

Evitar daños mecánicos en los contactos
Evitar el cierre en los rebotes

9. Funcionamiento de contactos auxiliares
Las bobinas no pueden soportar la aplicación de intensidad continuamente (bobinas a emisión de corriente).
Las bobinas no pueden estar sometidas a impulsos esporádicos.
Comprobar que los impulsos transmitidos a la bobina de cierre y a la de apertura llegan cuando se abre y se cierra el disyuntor respectivamente y no en otras circunstancias.

10. Velocidad de los contactos móviles durante el tiempo de cierre y apertura

Evitar que los contactos se quemen
Evitar el rebote de cierre durante la apertura
Evitar el arco durante el cierre
Una velocidad incorrecta puede hacer que el disyuntor explote.

11. Apertura simultánea de los puntos de interrupción conectados en serie

Debido a que un único polo de interrupción no es suficiente para interrumpir la tensión. Es necesario que los diversos polos de interrupción se abran simultáneamente.

12. Tiempo de conexión de la resistencia en paralelo en relación con el tiempo de apertura/cierre de los contactos principales

Evitar que la resistencia se queme
Comprobar el tiempo de apertura/cierre

13. Aislamiento de cámaras de vacío (entre los contactos principales)
Se puede medir el aislamiento de la cámara de vacío utilizando, por ejemplo el VIDAR de Programma Electric (figura 2) ya que no existen especificaciones para la cámara de vacío de un disyuntor en función del medio aislante en comparación con el aceite utilizado en un disyuntor de pequeño volumen de aceite.

Se adjunta un ejemplo de gama de mantenimiento (Figura 20) en la que se exponen los aspectos fundamentales a tener en cuenta en su revisión y ensayos con el disyuntor en servicio y fuera de servicio.

Operaciones con el disyuntor en servicio

1. Visualizar el estado general del disyuntor, observando que, aparentemente se encuentra perfectamente inmovilizado y nivelado y en ausencia de elementos extraños.Si el resultado de la inspección es satisfactorio, indicar B y si se observa alguna anomalía, indicar M con alguna aclaración concreta en el apartado de observaciones.
2. Visualizar el estado de limpieza general y en concreto el de las mirillas de nivel o indicadores de presión en disyuntores de SF6, sinópticos y señalizadores de posición y estado de muelles. Indicar B o M en la gama según corresponda.
3. Visualizar en los disyuntores de pequeño volumen de aceite si bajo el interruptor existen manchas de aceite concretando su magnitud indicando R o M cuando las manchas son pequeñas y no se observa derrame o goteo continuado, o bien si las manchas son grandes y se observa goteo respectivamente.
4. Visualizar si la reja de protección o la puerta de la celda están cerradas correctamente y en caso de disponer de enclavamientos observar su correcta disposición. Indicar B o M en la gama según corresponda.
5. En Disyuntores de intemperie verificar si las resistencias calefactoras del mando están energizadas, en caso contrario energizarlas y comprobar su funcionamiento. Indicar B o M en la gama según corresponda, si carece de resistencias indicar N/A.
6. Verificar los niveles de aceite en disyuntores de pequeño volumen de aceite o la presión, si se dispone, en los de SF6.
7. Visualizar que la toma de tierra del disyuntor no está rota, cortada o suelta.
8. Realización de Análisis Termográficos (detección de puntos calientes) 

Figura 1: Termografía realizada en un disyuntor de intemperie 

 Operaciones con el disyuntor fuera de servicio 

Antes de proceder alguna actividad, deberán aplicarse las normas de seguridad específicas para trabajos en instalaciones eléctricas. Ver post: “Prescripciones de seguridad para trabajos y maniobras en Centros de Transformación” en la siguiente dirección. 

http://imseingenieria.blogspot.com.es/2015/09/prescripciones-de-seguridad-para.html

Para realizar las operaciones de mantenimiento con seguridad para el personal, es preciso llevar el mando a la posición de “muelles destensados” operando como sigue:

• Cortar la corriente del motor 
• Desconectar o abrir el disyuntor, si no se había hecho previamente. 
• Cerrar – abrir de nuevo. 
• Asegurarse finalmente de que el cierre y apertura ya no responden. 

Desarrollo de las pruebas funcionales

Seguidamente se exponen las pruebas funcionales aplicables a los disyuntores provistos de mando con resortes. 

• En los disyuntores de pequeño volumen de aceite se realizará la verificación del estado del aceite, estos disyuntores están fabricados de forma que incluso con aceite fuertemente carbonizado, todavía son aptos para el servicio. Se considera el aceite totalmente envejecido cuando haya alcanzado un estado viscoso gelatinoso. 
• Para determinar el estado del aceite, se verificará periódicamente su rigidez dieléctrica, la rigidez dieléctrica no debe ser inferior a 40 kV/cm, como límite de aptitud para el servicio. Para un aceite en servicio se considera como valor optimo 60 kV/cm. 
• En la práctica está verificación se realiza en los disyuntores cuyo contenido de aceite es lo suficientemente amplio como para no considerar la sustitución del aceite sin más. 
• En caso de sustitución del aceite será preciso previamente a su introducción en los polos, determinar su rigidez dieléctrica que en el caso de un aceite nuevo puede alcanzar un valor medio de 120 kV/cm. 

Figura 2: Ensayo de rigidez dieléctrica en una cámara de vacío 

• En disyuntores de SF6 o de vacío, la comprobación de la integridad de las cámaras de corte se realiza sin necesidad de desmontar las cámaras mediante la relación conocida entre la tensión de ionización del gas o el vacío y la presión en la cámara, existen aparatos diseñados expresamente para esta prueba que hacen la operación más sencilla y fiable (Figura 2) que con la utilización equipos de alta tensión. En este tipo de equipos se pueden aplicar 40 o 60 kV conmutables dependiendo del nivel de aislamiento del disyuntor. Cuando las cámaras se encuentran en perfectas condiciones se enciende una luz verde. Un control bimanual y la luz indicadora de alta tensión mejoran la seguridad.  En el caso de fallo de aislamiento por falta de vacío o gas se enciende una luz roja lo que indica que la intensidad a superado los 0,3 mA de la prueba. Una luz amarilla se enciende indicando que el ensayo ha sido interrumpido.

Figura 3: Detector de fugas de SF6 

• En los disyuntores de SF6 al igual que en los equipos con aislamiento SF6 puede detectarse la existencia de fugas a través de detectores portátiles provistos de una pequeña “bomba de iones” que aprovecha la energía eléctrica generada por el elemento sensor para proporcionar un flujo de aire extremadamente preciso y fiable a la cámara detectora. El caudal de aire está autorregulado por lo que permite detectar fugas tan pequeñas como 2,8 gr. por año, proporcionando al mismo tiempo una gran rapidez de respuesta. Un mando selector y un circuito de alarma acústica proporcional al tamaño de la fuga permiten al usuario localizar el punto de la fuga sin reajustes del instrumento (Figura 3).

• Diagrama de funcionamiento : 

El empleo de equipos registradores para obtener la representación gráfica del proceso de las diferentes maniobras de los disyuntores automáticos es una práctica común en los procedimientos de mantenimiento preventivo con parada.

La sola inspección de los mecanismos de operación de un disyuntor, no garantiza su correcta operación, debido a que estos bloques de resortes operan con una gran energía acumulada y la mejor manera de poder comprobarlos es realizando las pruebas de desplazamiento que pueden ser lineal o angular. Hay que tener presente que aunque estos bloques de resortes no funcionen durante mucho tiempo, por el hecho de estar comprimidos repercute en su elasticidad y por tanto en la velocidad de cierre y apertura de contactos, que a su vez tiene consecuencias graves en la extinción del arco, de aquí la importancia de estas operaciones de mantenimiento.

Figura 4: Recorrido de los contactos de un interruptor en función del tiempo

Los gráficos obtenidos en estas pruebas nos permiten entre otras cosas, medir los tiempos de actuación y la carrera de los contactos, comprobar la simultaneidad de actuación de los polos (sincronismo de contactos) así como la amortiguación del mecanismo y penetración de los contactos, indicados en la Figura 4. 

 Análisis del funcionamiento de disyuntores. 

Se presenta en primer lugar un analizador básico con objeto de facilitar la comprensión de su funcionamiento, el analizador consiste esencialmente de dos elementos principales (Figura 5 y 6): 

• Un tambor vertical sobre el cual se coloca el papel de registro de diagrama y que es movido por un motor síncrono a través de engranajes reductores apropiados y un lápiz deslizante accionado a través de un mecanismo reductor (cabeza reductora), por la biela vertical del disyuntor. El movimiento rotativo del tambor, hace que la abscisa del gráfico dé el tiempo en ciclos mientras que la ordenada del gráfico, representa el recorrido del mecanismo de contacto del disyuntor (Figura 7).

Figura 5: Elementos principales del analizador

Por medio del registro obtenido con el analizador, podemos medir y/o comprobar los parámetros indicados en la figura 6 

• Tiempos de conexión y desconexión en seg. (ty. Tx) 
• Velocidad de conexión y desconexión en m/seg. (Vey. Vax). 
• Carrera del contacto móvil en mm. (DES y CON). 
• Sobreoscilaciones (rebotes) en el cierre y la apertura en mm. (c. d.). 

NOTA: Las abreviaturas que aparecen entre paréntesis están descritas en la Figura 7 donde se dan igualmente las características de funcionamiento de diversos disyuntores.

Figura 6: Obtención del diagrama de funcionamiento en un disyuntor de intemperie por desplazamiento lineal a través de los contactos

Este analizador de funcionamiento de interruptores, aunque básico, se puede utilizar con casi todos los disyuntores modernos que tengan movimiento vertical del varillaje. Es un instrumento que registra gráficamente las operaciones mecánicas del disyuntor y su uso fundamental es ayudar al operador encargado de la conservación para hacer los ajustes necesarios cuando está revisando el disyuntor, al mismo tiempo permite obtener un registro permanente de las condiciones mecánicas para el archivo de explotación. Igualmente, puede utilizarse para efectuar pruebas de aceptación o recepción de disyuntores nuevos, comprobando de esta manera las especificaciones del fabricante del aparato.

Figura. 7: Curva de funcionamiento de un disyuntor de pequeño volumen de aceite y datos de funcionamiento diversos disyuntores

Los equipos analizadores modernos determinan, además de los parámetros descritos anteriormente, el sincronismo de contactos, los tiempos de conexión y desconexión del disyuntor automático, actuación de bobinas de apertura y cierre y otros parámetros importantes (Figura 8). 

Estos equipos registradores disponen de distintos canales de registro para poder medir continuidad en cada uno de los polos de los disyuntores cuando se actúa sobre sus mandos (figura 9).

Registros de sincronismo

Figura 8: Registro de sincronismo de contactos

Figura 9: Conexiones para el registro de sincronismo.

Continua en "Pruebas funcionales de disyuntores de AT. (Parte 2ª)
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