Extinción del arco eléctrico en
aceite
Desde
el año 1900, el aceite se ha impuesto como medio de corte y aislamiento.
Durante
los treinta primeros años, el aceite fue sobretodo utilizado en aparatos
llamados “de gran volumen de aceite”. Dicho aceite se descompone por la acción
del arco eléctrico liberando gran cantidad de gases que contienen un 70% de
hidrógeno, 20% de etileno y 10% de Metano, cuya presión es suficiente para
apagar el arco en una cámara de corte (presión dinámica de los gases entre 50 y
100 bares). El restablecimiento de la resistencia dieléctrica es garantizada
por la realimentación en aceite después del corte y la evacuación del gas. Para
poder alcanzar presiones más elevadas (150 bares), propicias para un mejor
apagado del arco, fue diseñado el disyuntor “de pequeño volumen de aceite” que
ofrece, al mismo tiempo, una envolvente de pequeño diámetro y, por tanto, de
precio más económico.
Por regla general, los aparatos
de desconexión por inmersión en aceite constan de los siguientes elementos: (Figura 21):
- Una
cubeta de aceite.
- Bornes
de entrada y salida de la corriente fijados a la tapa de la cubeta. Los bornes están constituidos por elementos
de porcelana o por tubos aislantes por cuyo interior pasan las barras
conductoras.
- Contactos
fijos, colocados en el extremo inferior de las barras conductoras.
- Contactos
móviles, acoplados a un sistema biela-manivela o a un pistón capaz de unirlos
con los contactos fijos.
Obsérvese en primer lugar que,
en dicha disposición, la apertura del circuito eléctrico crea dos arcos
dispuestos en serie, lo que favorece una mejor extinción.
Estos aparatos constan de una
cubeta por fase (Figura 22) o,
por el contrario, un solo recipiente -con o sin planchas de separación- que
contiene todas las fases.
Al separarse los contactos
móviles de los fijos, se ceba un arco eléctrico. Parte del aceite se volatiliza, mientras otra
parte se descompone, formando principalmente hidrógeno, metano y etileno.
La formación de estos gases
provoca una importante turbulencia del aceite que barre el medio de formación
del arco, con lo que cierta cantidad de aceite todavía intacta se establece en
el medio de los inter-electrodos; los gases se elevan a la superficie del
aceite, donde su desplazamiento se ve amortiguado por la presencia del aire
existente debajo de la tapadera.
Dicho volumen de aire es, pues,
necesario, pero, al existir el riesgo de que forme una mezcla explosiva con los
gases, su nivel debe mantenerse idéntico al que haya sido previsto por el
fabricante.
Los gases y productos de
descomposición del aceite contienen una elevada proporción de carbono, lo que
da lugar a depósitos de hollín que podrían afectar el aislamiento del aparato.
Por todo ello, los aparatos de extinción en aceite
deberán ser sometidos a frecuentes controles:
- Control
del nivel de aceite de la cubeta (evitando la proporción de mezcla detonante).
- Medida
de la rigidez dieléctrica del aceite, la cual se debilita al ponerse en
contacto con productos en descomposición.
Estos aparatos se emplean en
tensiones media y alta, pudiendo ser clasificados en dos grandes grupos:
- Aparatos
con volumen de aceite reducido, en los que lo más frecuente es que el soplado
del arco se lleve a cabo mediante un chorro de aceite (figura 23).
- Aparatos
con gran volumen de aceite, en los que la formación de los gases de
descomposición del aceite, realizada frecuentemente en un recipiente o cámara
de extinción, permite el soplado del arco (figura 21).
Esta técnica de corte ha sido muy empleada en todos los
ámbitos, tanto de transporte como de distribución, de la energía eléctrica.
Progresivamente se ha sustituido por las técnicas de corte
en el vacío y en el SF6, técnicas que no presentan los inconvenientes indicados
en los párrafos anteriores.
Figura 22:
Disyuntor de alta tensión de gran volumen de aceite
a) Posición conectado
b) Posición en curso de desconexión
c) Sección longitudinal
Figura 23: Sección de una cámara de corte
de un Interruptor de pequeño volumen de aceite
Figura 24:
Disyuntores de AT de pequeño volumen de aceite con cuatro cámaras por fase
Figura 25:
Disyuntor de MT de pequeño volumen de aceite montado sobre carro enchufable
Ventajas
del corte en aceite:
·
Gran
sencillez tecnológica, y por consiguiente, económico.
Inconvenientes
del corte en aceite:
· Riesgo
de explosión debido a la presencia de hidrógeno, y consecuentemente de
incendio.
Muy
peligroso para el personal y el equipo, se deteriora fácilmente (muy sensible a
la humedad).
Durante
el corte, el hidrógeno puede alcanzar una presión de 100 a 150 bares.
· Mantenimiento
frecuente y necesario (verificación del nivel, y cambio de aceite) debido a la
descomposición del carbono.
· Muy
sensible a los reencendidos y precebados, en particular en el corte de
condensadores.
· Alteración
del medio dieléctrico a cada corte y disminución de volumen (cada 6 meses: test
dieléctrico e inspección visual, limpieza y verificación del nivel de aceite.
Es necesario efectuar un cambio de aceite cada 4 cortes de elevada corriente).
· Desclasificación
necesaria en ciclo rápido (reenganchador).
· Aparatos
voluminosos.
· Características
modestas y medianas, suficientes para un gran número de aplicaciones.
· Ruidoso,
pesado, produce vibraciones importantes en el suelo.
Por
todas estas razones, pero sobre todo a causa de la seguridad de operación y del
costo de mantenimiento, esta técnica de corte se ha ido abandonando en las
subestaciones primarias (aunque existen aún algunas excepciones, en particular
en los países llamados “en vías de desarrollo”). En caso de las subestaciones
secundarias, en donde los esfuerzos son menores, los disyuntores con corte en
aceite siguen siendo utilizados, pero son sustituidos cada vez más por los de
las técnicas SF6 y de vacío.
Extinción del arco en
hexafluoruro de azufre
El SF6 bien se merece que le
prestemos una atención especial, ya que en las últimas décadas se ha convertido,
sin lugar a dudas, en el “gas de los fabricantes de aparamenta".
Este hecho es el resultado de la
conjunción, nada normal, de un conjunto de cualidades ejercidas simultáneamente
en los dominios dieléctricos y de apagado de arco, cualidades estas que se
apoyan en las propiedades físicas de este gas de las que trataremos de poner en
evidencia los aspectos fundamentales.
La
molécula de SF6
El hexafluoruro de azufre se
presenta, a la temperatura ordinaria, como un gas incoloro e inodoro, que posee
una densidad relativa elevada debido a su masa molecular importante (146 contra
28 y 32 del nitrógeno y oxigeno).
Ver post: “El gas SF6” en el
siguiente link:
El gas
SF6 como dieléctrico
Es esta la primera cualidad,
desde el punto de vista de un fabricante de aparamenta. En igualdad de presión, el SF6, se manifiesta
superior a la mayor parte de los mejores medios conocidos. Debe esta ventaja a la gran dimensión de su
molécula y a los múltiples mecanismos de colisiones inelásticas que le permiten
frenar eficazmente los pocos electrones libres todavía presentes, que el campo
eléctrico tiende a acelerar y que constituyen el 'alimento' de la descarga.
Digamos sólo, para abreviar, que
las excelentes propiedades del SF6 no son inigualables y que existen otros
gases fluorados como ciertos freones que pueden comparársele sí no son.
superiores.
Pero
el SF6 se reafirma como dominante en el campo de la ruptura.
Figura 26: La molécula de SF6
La
molécula, perfectamente simétrica formada por un átomo de azufre cuyos 6
enlaces libres están utilizados por 6 átomos de flúor para completar su
cubierta electrónica periférica, dispuestos de forma que ocupen los vértices de
un ortoedro regular.
Esta
estructura, en la que todos los enlaces químicos están saturados se presenta
como químicamente estable con una energía de formación elevada (262 kcal/mol).
La
Importancia de las propiedades térmicas del SF6
Para convencemos, consideremos
un arco desarrollado en un tubo, lleno de un gas recorrido por una corriente de
intensidad constante.
Por
una lógica intuitiva se constata que la temperatura de este arco es máxima en
la zona próxima al eje del tubo y su valor decrece cuando nos alejamos,
acercándonos a la periferia (figura 27).
Figura 27: Curva de distribución
de la temperatura
de un arco contenido en un tubo cilíndrico.
Figura 28: Cuando la intensidad
aumenta, en la mayoría de los gases,
se forma un núcleo central, separado de la
cubierta o vaina que le
envuelve exteriormente por una especie de barrera de
temperatura.
La formación del escalón de
temperatura y del núcleo central.
Al aumentar la intensidad se
observa, en la mayoría de los gases, la aparición de una especie de escalón
térmico y la formación, en el centro del tubo, de una zona cilíndrica en la que
la temperatura se eleva rápidamente, a la que llamamos núcleo del arco, en cuyo
alrededor aparece una zona más fría denominada vaina (Figura 28 ).
Cuando aumenta la intensidad,
aumenta la temperatura del núcleo pero la del escalón permanece prácticamente
constante.
Para justificar esta ley de
distribución de temperaturas, hemos de considerar:
- por
una parte la ionización que se produce en el gas conductor
- por
otra parte, la conductividad térmica del gas que participa activamente en la
evacuación de la energía producida en el arco.
En lo referente a la ionización,
podemos decir que la densidad de electrones libres crece de forma casi
exponencial en función de la temperatura de forma que la densidad de corriente
es mucho mayor en las zonas más cálidas del núcleo, próximas al eje, en las que
la temperatura se adapta automáticamente al valor de la intensidad a
transmitir. Luego, la energía por efecto
Joule se genera principalmente en el centro del arco.
Si consideramos la fracción, de
la energía térmica que se disipa por conducción térmica a través del gas,
podemos admitir que constituye un flujo sensiblemente constante desde el eje
del tubo hasta la pared del mismo.
Las
variaciones de la conductividad térmica
En las condiciones expresadas, a
una determinada distancia del eje, cuanto mayor sea la conductividad térmica l tanto menor será el gradiente
de temperatura y recíprocamente.
En el caso de la formación de un
escalón y un núcleo, se comprueba que l toma valores altos en la zona del
escalón como aparece claramente explicable por las curvas de conductividad
térmica del SF6 y del nitrógeno, gases ambos que presentan este fenómeno, si
bien a temperaturas diferentes (Figura
29).
Figura
29: Conductividad
térmica del SF6 y del nitrógeno.
La
disociación de la molécula
La existencia de esta punta de
conductividad va ligada a un cambio de estado del gas en el que las moléculas se
disocian en átomos a partir de una cierta temperatura. Esta disociación exige la aportación de una
cantidad de energía bien definida al igual que ocurre con los fenómenos de
fusión o vaporización; es la energía de disociación. Inversamente, en las zonas
a menor temperatura, los átomos se recombinan para formar una molécula cediendo
una misma cantidad de energía denominada de formación al medio que los
envuelve.
La
hiperconductividad térmica unida a la disociación
Con todo lo visto hasta ahora
podemos admitir que las partículas que circulan a través del escalón
transportan cantidades importantes de energía, dando al gas una especie de
hiperconductividad térmica, precisamente en la curva de la temperatura de
disociación y como consecuencia un alto poder de disipación de energía.
Podemos ver, luego, que el valor
de la temperatura de disociación juega un papel importantísimo con relación a
la pérdida de conductividad eléctrica del arco en las proximidades del cero de
corriente.
La
desaparición del núcleo después del enfriamiento
En efecto, cuando la corriente
disminuye, la temperatura máxima disminuye también, si bien con un cierto
retraso, debido a la inercia térmica del gas contenido en el núcleo, retardo
que experimenta también la constante de tiempo térmica del arco...
Pero esta inercia térmica es
pequeña debida al reducido volumen del gas afectado.
En cambio, cuando el núcleo ha
desaparecido completamente, la temperatura continua descendiendo pero en forma
mucho más lenta ya que el volumen de gas considerado es mucho mayor.
Importancia
de la temperatura del escalón
Si la temperatura del escalón es
elevada (caso de la mayoría de gases díatómicos: N2, 02, H2 el gas estará aún
ionizado fuertemente y la conductancia, después de haberse reducido fuertemente
durante la desaparición del núcleo, continuará decreciendo con demasiada
lentitud para conferir al aparato más propiedades de interrupción
excepcionales.
Si la temperatura del escalón es
suficientemente baja para que el gas sea prácticamente aislante, en la pérdida
de conductancia del gas hemos de considerar solamente la pequeña inercia del
núcleo. La constante de tiempo, en este
caso, podrá ser baja hasta la desaparición de esta conductancia que se presenta
muy favorable para el mecanismo de la interrupción.
Este es precisamente el caso del
SF6 en el que la temperatura de disociación se sitúa alrededor de los 2100 ºK,
para la que el gas es prácticamente aislante (Figura 30).
Resumiendo, el escalón hiperconductor
que se forma a la temperatura de disociación de la molécula funciona como un
enfriador o un extractor de las calorías del arco, justamente en la zona de su
eje, permitiendo así su enfriamiento ultra-rápido a partir del Instante en que
la reducción de la corriente representa una disminución en la producción de
energía en su interior.
Esta ventaja, unida a la existencia de la barrera
hiperconductora y a las notables propiedades dieléctricas del SF6, confieren a
este gas un conjunto de cualidades que no se encuentran reunidas en ningún otro
medio actualmente conocido. Las
numerosas investigaciones que se realizan hacen pensar que es poco probable descubrir
medios que sean superiores o solamente comparables.
Cuando
el núcleo central desaparece, en el proceso de reducción de la corriente, la
cubierta, muy fría en el caso del SF6 no conduce la corriente cuando es todavía
muy conductora en el caso del nitrógeno.
Figura 30: Comparación del nitrógeno y SF6.
La
Importancia de la formación de los Iones negativos
Todas estas ventajas descritas,
de orden térmico, se completan con otra propiedad, muy importante, ligada al
carácter muy electronegativo del flúor.
La
descomposición del SF6
Hemos visto que la molécula de
SF6, cuando la temperatura aumenta, se disocia en átomos de azufre y flúor,
como se indica claramente en la figura
31. En ella, las ordenadas representan el número
de partículas por cm3, expresadas en escala logarítmica, suponiendo
la presión constante. Si aumentamos la
temperatura, los átomos de azufre se van ionizando, como muestra la curva de
iones S+. Pero observamos que la mayor
parte de los electrones liberados son capturados por los átomos de flúor para
formar iones negativos F-, pesados y por tanto con poca movilidad lo que hace
que participen muy poco en la conductancia del plasma (Las curvas S+ y F - en
su inicio se confunden, lo que significa que todos los electrones liberados por
los átomos de azufre, son capturados por los átomos de flúor).
Los electrones libres que son los que
verdaderamente se responsabilizan de la conductancia, no crecen en número sino
a partir de los 4.000 ºK.
La
captura de los electrones libres por los átomos de flúor
Cuando desciende la temperatura
se produce un fenómeno inverso, se puede observar que al decrecer la
intensidad, el número de electrones libres y con ellos la conductancia,
comienzan a decrecer, primero lentamente ya que por debajo de 6.000 ºK, los
electrones, cada vez más numerosos, son capturados por los átomos de flúor para
formar los iones negativos F-, 185 veces menos rápidos. El fenómeno que se produce equivale a que por
cada electrón capturado la corriente correspondiente se divida bruscamente por
185.
Así, entre los 6.000º y 3.000 ºK,
temperaturas entre las que prácticamente todos los electrones liberados son
capturados (ver que las curvas S+ y F- coinciden), la conductancia sufre una
reducción vertiginosa sin ninguna coincidencia con otros gases que no posean
las propiedades electronegativas del flúor.
Resumiendo: en el SF6 antes que
el núcleo central, en su proceso de enfriamiento, alcance temperaturas bajas,
su conductancia es ya prácticamente nula, gracias a la captura de los
electrones libres por los átomos de flúor, que se transforman, por debajo de
los 6000 ºK en verdaderos cazadores de electrones.
La
Importancia de la formación de los Iones negativos
Todas estas ventajas descritas,
de orden térmico, se completan con otra propiedad, muy importante, ligada al
carácter muy electronegativo del flúor.
La
descomposición del SF6
Hemos visto que la molécula de
SF6, cuando la temperatura aumenta, se disocia en átomos de azufre y flúor,
como se indica claramente en la figura
31. En ella, las ordenadas representan el número
de partículas por cm3, expresadas en escala logarítmica, suponiendo
la presión constante. Si aumentamos la
temperatura, los átomos de azufre se van ionizando, como muestra la curva de
iones S+. Pero observamos que la mayor
parte de los electrones liberados son capturados por los átomos de flúor para
formar iones negativos F-, pesados y por tanto con poca movilidad lo que hace
que participen muy poco en la conductancia del plasma (Las curvas S+ y F - en
su inicio se confunden, lo que significa que todos los electrones liberados por
los átomos de azufre, son capturados por los átomos de flúor).
Los electrones libres que son los que
verdaderamente se responsabilizan de la conductancia, no crecen en número sino
a partir de los 4.000 ºK.
La
captura de los electrones libres por los átomos de flúor
Cuando desciende la temperatura
se produce un fenómeno inverso, se puede observar que al decrecer la
intensidad, el número de electrones libres y con ellos la conductancia,
comienzan a decrecer, primero lentamente ya que por debajo de 6.000 ºK, los
electrones, cada vez más numerosos, son capturados por los átomos de flúor para
formar los iones negativos F-, 185 veces menos rápidos. El fenómeno que se produce equivale a que por
cada electrón capturado la corriente correspondiente se divida bruscamente por
185.
Así, entre los 6.000º y 3.000 ºK,
temperaturas entre las que prácticamente todos los electrones liberados son
capturados (ver que las curvas S+ y F- coinciden), la conductancia sufre una
reducción vertiginosa sin ninguna coincidencia con otros gases que no posean
las propiedades electronegativas del flúor.
Resumiendo: en el SF6 antes que
el núcleo central, en su proceso de enfriamiento, alcance temperaturas bajas,
su conductancia es ya prácticamente nula, gracias a la captura de los
electrones libres por los átomos de flúor, que se transforman, por debajo de
los 6000 ºK en verdaderos cazadores de electrones.
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Figura 31: Curvas de descomposición del
SF6 en función de la temperatura.
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La
utilización del SF6 en la aparamenta
En la práctica el arco no está
forzosamente contenido en un tubo cilíndrico, utilizado para la comodidad de
las experiencias y su razonamiento para fijar los límites de su entorno. De todas formas, los fenómenos no sufrirán
alteraciones notables si modificamos los límites o producimos un desplazamiento
relativo entre el arco y el medio que le envuelve para favorecer la convección
térmica. Todos los medios de
desionización conocidos y utilizados enérgicamente por los otros sistemas de
extinción son evidentemente aplicables, con provecho, en los aparatos de SF6.
Pero las cualidades
excepcionales de este gas hacen que estos medios puedan utilizarse en formas mucho
más fáciles de realizar y en volúmenes más reducidos con resultados finales,
casi siempre superiores.
La autocompresión
Como ejemplo: con una presión de
3 bares, provocando el soplado de un arco, con la ayuda de un pistón
desplazándose por el interior de un cilindro se obtienen resultados superiores
a la acción de aire comprimido a 25 bares con salida al aire libre a través de
grandes toberas.
El arco rotativo
Simplemente, haciendo girar el
arco en el seno de SF6 con la ayuda de un campo magnético se pueden obtener
resultados sorprendentes que abren perspectivas sin límites, principalmente en
el campo de las medias tensiones.
Una amplia gama de
aparatos comprendiendo los contactores para el mando de motores de alta tensión
o interruptores automáticos para las más diversas aplicaciones, están ya
disponibles hoy en día en el mercado.
Los Interruptores
"funcionales" de dimensiones reducidas
El equivalente a una bomba de
bicicleta situada dentro del SF6 a la presión atmosférica es suficiente para
realizar un interruptor de 24 kV para un centro de distribución pública y el inconveniente de contener el gas en
recipientes estancos se compensa sobradamente ante todas las ventajas que el
sistema reporta.
Figura
32: Vista abierta de un polo de
interruptor automático de media tensión en SF6
tipo FB de Merlín Gerin en
posición cerrado, abierto y contactos de corte..
Interruptor de MT en SF6
enchufable, tipo Fluarc de Merlín Gerin
Figura 33:
Interruptores automáticos de 420
kV, corte en SF6
tipo HPL DCB de ABB
Los centros blindados de alta
tensión
Gracias
a sus excepcionales propiedades dieléctricas, el SF6 permite, mejor que ningún
otro medio, asegurar, al mismo tiempo que la función interrupción, el
aislamiento de todos los elementos que componen un centro de alta tensión de
los denominados 'compactos' o 'blindados', de dimensiones muy reducidas y
totalmente protegidos del entorno y la intemperie (Figura 34).
Ver
post: “Ventajas de los equipos compactos de A.T. con aislamiento en SF6” en el
siguiente link:
Figura 34: Subestación aislada en gas SF6 de 170 kV, tipo ELK-04
de ABB
Técnicas de corte en SF6
Ver
post: “El gas SF6 y sus técnicas de corte” en el siguiente link:
El
corte en SF6 por auto-compresión
En
este tipo de disyuntor, la expansión de un volumen de SF6 comprimido por un
pistón sopla el arco. Al abrir el aparato, un cilindro solidario con el
contacto móvil se desplaza y comprime un volumen de SF6 (figura 35). Un tubo de
soplado canaliza el gas hacia el centro del arco. El gas se evacúa a través de
los contactos huecos.
Figura
35: Principios de corte por auto-compresión
Con
intensidades fuertes, el arco provoca un efecto de tapón que contribuye a la
acumulación de gas comprimido. Cuando la intensidad se aproxima a cero, el arco
primero se enfría y después se extingue gracias a la inyección de nuevas
moléculas de SF6. El valor medio de la tensión de arco está comprendido entre
300 y 500 V.
Esta
tecnología permite cortar sin dificultad todas las intensidades hasta el PdC,
sin una intensidad crítica puesto que la energía necesaria para soplar el arco
se produce por empuje mecánico y por tanto es independiente de la corriente que
hay que cortar.
Magnitudes
características
Las
presiones relativas de SF6 que se utilizan generalmente varían entre 0,5 bar
(16 kA, 24 kV) hasta 5 bar (52 kV), lo que permite la realización de
envolventes selladas sin fugas con todas las garantías de seguridad.
Los
factores que afectan a las dimensiones de la cámara de corte son los
siguientes:
· La
capacidad para soportar la tensión de los ensayos de entrada/salida, lo que
condiciona la distancia de aislamiento entre los contactos abiertos. Ésta puede
ser constante y del orden de 45 mm teniendo en cuenta las presiones de SF6
utilizado.
· La
intensidad de cortocircuito a cortar dimensiona el diámetro del tubo de soplado
y de los contactos.
· La
potencia de cortocircuito a cortar impone las dimensiones del pistón de soplado
(en 24 kV el volumen de gas soplado es del orden de 1 litro para un PdC de 40
kA).
La
energía de apertura de 200 J (16 kA) a 500 J (50 kA), es relativamente elevada
a pesar de lo compactos que son los aparatos a causa de la energía necesaria
para la comprensión del gas.
Campos de
aplicación del corte por autocompresión
El
principio de auto-compresión es el más antiguo. Se ha utilizado para todos los
tipos de disyuntores de uso general. No implica sobretensiones demasiado
elevadas puesto que el fenómeno de arranque es pequeño y no existe el riesgo de
reencendidos sucesivos. Los disyuntores a auto-compresión se adaptan bien a la
maniobra de baterías de condensadores puesto de tienen una probabilidad muy
pequeña de reencendidos por una parte y una gran resistencia mecánica a las
corrientes de cierre por otra parte. Sin embargo, la energía de maniobra
necesaria, relativamente importante, genera unas exigencias muy elevadas sobre
los accionamientos y, eventualmente, una limitación del número de maniobras.
Esta
tecnología todavía se utiliza hoy ampliamente, sobre todo para los aparatos de
fuerte intensidad y tensiones superiores a 24 kV.
El corte en SF6 por autosoplado (autoexpansión)
En los interruptores automáticos de autosoplado en SF6, durante toda la vida útil -20 ó 30 años- es
la misma masa del gas SF6, contenido en un recinto cerrado estanco y sellado al
vacío, la que participa en la ruptura y en el aislamiento.
Durante el período de arco, éste es enfriado por la convección
del SF6, gracias al intercambio térmico entre el gas «calentado» por el arco y
el gas frío.
Más exactamente, el gas frío es impulsado perpendicularmente a
la columna del arco para reforzar la mezcla de gas caliente y gas frío
(fenómeno de turbulencia).
Figura 36: Efecto tapón.
Comparativamente, la energía calorífica intercambiada por
conducción radial es muy poca. Cabría esperar un intercambio calorífico por
radiación debido a la alta temperatura del arco. De hecho estos intercambios
son ínfimos porque la radiación la producen únicamente las capas periféricas
del arco. Los cambios de temperatura durante el período del arco tienen lugar,
sobre todo, por convección.
La energía suministrada por el sistema, durante un tiempo dt a
una masa de gas dm, es:
dW = V.I.dt = h.dm,
siendo:
V = tensión del arco,
h = entalpía por unidad de masa;
o bien:
V.I.dt = h.ρ. s.dx
siendo:
ρ = densidad,
s = sección del arco durante el corte,
dx = camino recorrido por la masa dm durante el tiempo dt.
De donde V.I =
h.ρ.s.u, Siendo: u la velocidad del gas.
Figura 37: Variación de la sección del arco,
de la carrera de los contactos
y del gasto de masa de SF6 para un corte:
- - - - - - - - - al 10 % del poder de corte,
---------------- al 100 % del poder de corte: efecto tapón.
La
energía transmitida depende directamente de esta velocidad, pero las leyes de
evacuación de gases nos enseñan que el gasto de masa no puede aumentar
indefinidamente al aumentar la velocidad.
El desarrollo técnico actual hace que sea interesante mantenerse
en las proximidades de la velocidad del sonido.
Esta velocidad se puede alcanzar con una geometría adecuada y
con una cierta energía desarrollada en la ruptura. Tecnológicamente los
contactos tubulares huecos facilitan el escape rápido del gas caliente, lo que
conlleva la inestabilidad de la raíz del arco, evitando el desgaste de los
contactos del mismo.
Es digna de destacar la eficacia de la técnica de soplado: sólo
se necesita inyectar una pequeña cantidad de gas entre los contactos; por
ejemplo, en los interruptores automáticos Fluarc FB y FG, la cantidad de gas
comprimido inyectado en el cuello del tubo es de cinco gramos durante la
apertura.
Para limitar la temperatura del arco, que puede alcanzar 10 000
ó 15 000 ºC, al aproximarse la corriente a cero, es necesario haber
evacuado la energía calorífica producida (que alcanza aproximadamente 30 000 Julios en la
interrupción de una corriente de 25 kA). La curva de entalpía del gas muestra
que un gramo de SF6 es suficiente para transportar esta energía (figura 38).
Figura
38: Entalpía del SF6 en función de la temperatura.
La sección del arco, como es proporcional al valor de la
corriente, está sujeta a la misma variación senoidal. Con valores elevados de
corriente, el arco puede ocupar todo el espacio, impidiendo así el flujo de gas
frío: es el denominado efecto «tapón» (figura 36).
El gasto total de masa en la base del tubo es, pues, débil
cuando los valores de la corriente son elevados, pero se eleva rápidamente en
cuanto la corriente cesa, justo antes del cero de corriente. Esto es más
importante cuando se corta una corriente débil (figura 37).
El efecto «tapón» es beneficioso por dos razones:
- cuando un interruptor automático se abre con una corriente
elevada, conserva una cantidad de gas en reserva más importante que cuando
interrumpe corrientes más débiles. No actúa pues «ciego» en las proximidades
del cero de corriente. En consecuencia:
- con una gran corriente, el gas participa muy
eficazmente en el enfriamiento y desionización del arco,
- y con corrientes débiles, el pequeño gasto de masa evita el corte brusco («arrancamiento»),
- la interrupción de una corriente fuerte implica un freno
en el movimiento de la apertura. Este frenado limita la distancia entre los
contactos, o sea la longitud del arco, y con ello la energía en él disipada. A
título indicativo, en los aparatos de MT (12, 24 ó 36 kV) la longitud del arco
es del orden de los 15 mm.
El corte en SF6 por arco
giratorio
Esta técnica se utiliza en particular en los aparatos de gran
cadencia de maniobra, por ejemplo en los contactores y en algunos interruptores
automáticos.
Principio
Un conductor recorrido por una corriente y colocado en un campo
magnético queda sometido a una fuerza que tiende a desplazarlo: es la ley de
Laplace (campo-fuerza-corriente). Y es esta misma ley la que, aplicada a un
arco eléctrico conductor, permite obtener el arco circular.
Aplicación
Después de separarse los contactos principales, la
corriente a cortar pasa a través de un solenoide hasta un electrodo circular.
Entre dos anillos aparece un arco, perpendicular al campo magnético β producido
por el solenoide. Siendo el arco conductor, queda sometido a una fuerza F y, en
consecuencia, acelerado en sentido
circular (Tabla Figura 39).
La técnica del arco circular presenta varias ventajas:
- al rodearlo de SF6, el enfriamiento del arco es muy
eficaz,
- gracias al movimiento de las raíces del arco, se evitan
los puntos calientes que producen vaporesmetálicos y el desgaste puntual;
- esta rotación del arco dura hasta el cero de corriente. Se
ha medido la velocidad de rotación del arco. Varía con la intensidad de la
corriente a cortar, y, en el gas, puede alcanzar la velocidad del sonido para
las grandes corrientes de cortocircuito.
Durante la ruptura de las corrientes de cortocircuito, la fuerza
en las proximidades del cero de corriente es suficientemente elevada para
mantener el arco en rotación. En efecto, la fuerza es igual al producto
vectorial del campo y de la corriente, dos parámetros que no están en fase,
pero cuyo producto mantiene un valor significativo en las proximidades del cero
de corriente (Figura 39).
Durante la ruptura de bajas corrientes, la velocidad es muy
reducida justo antes del paso por cero de la corriente. Entonces el
enfriamiento por convección es menor y la desionización sólo se debe a las
cualidades intrínsecas del gas SF6. Este reducido enfriamiento y esta
desionización hacen que la ruptura se efectúe suavemente y sin sobretensiones
de maniobra.
Figura
39: Ejemplo de un contacto de arco giratorio
(contactor tipo Rollarc de Schneider Electric)
Velocidad de rotación del arco
|
||
Durante el periodo
del arco
|
Justo antes del cero
de corriente
|
|
Corrientes elevadas
|
Muy elevada
(velocidad del sonido)
|
Elevada
|
Corrientes débiles
|
Elevada
|
Reducida
|
Tabla figura 39: Velocidad de
rotación del arco debida al campo magnético
Ventajas del corte en SF6
· Seguridad total de
operación; gas inerte e ininflamable (ningún problema de oxidación ni peligro
de incendio).
· Corte suave. Los
disyuntores en SF6 no generan reencendidos múltiples (creación de
sobretensiones), lo que permite salvaguardar el aislamiento entre las espiras
de los motores.
·
Insensible al medio
ambiente: gas no toxico e inodoro.
·
Resistencia mecánica y
eléctrica elevada.
·
Sin necesidad de
mantenimiento de las partes activas: más económico.
·
Mantenimiento más
sencillo y distanciado (por ejemplo: cambio de un polo en pocas horas).
·
Duración superior a la de
los disyuntores en aceite.
·
Mayor fiabilidad.
·
Un volumen reducido
respecto a los disyuntores de corte en aire: más compacto.
·
En media tensión, baja
presión en las envolventes.
·
La tecnología, de sistema
sellado de presión, no requiere de llenado periódico.
·
Posibilidad de
verificación de la presión en los disyuntores (presostato).
· En caso de fuga
accidental, el disyuntor conserva sus características asignadas (corriente y
tensión).
·
Fallo interno: apertura
de una válvula de sobrepresión, sin peligro para el operador.
· Un mejor comportamiento
en reenganche rápido, corte de baterías de condensadores, etc., comparado al de
los sistemas de corte en aire y en aceite.
·
Regeneración dieléctrica
rápida.
·
Tensión de utilización
superior a 36 kV. Una técnica única de 1 a más de 800 kV.
·
Mucho menos pesado y
menos ruidoso que las antiguas técnicas.
· Amplia gama de técnicas
de corte que responden específicamente a diversas aplicaciones (autosoplado
/arco giratorio/ autoexpansión)
Perspectivas
En
el momento actual, la ruptura en SF6 cubre la totalidad del dominio de la alta
tensión. El número de constructores y
utilizadores que adopta esta técnica crece sin cesar y sin riesgo de error
podemos prever que el desarrollo, en todos los dominios seguirá creciendo
rápidamente. Si bien, en la muy alta
tensión y alta tensión el interés por esta técnica es más evidente, hay que
señalar la introducción cada vez mayor en contactores de 6 kV de arco giratorio
donde el volumen ocupado es sumamente reducido, más que los contactores al
vacío, técnica que ha hecho su aparición en los últimos años.
Continúa en: Las técnicas de corte del arco eléctrico ( y Parte 4ª)
http://imseingenieria.blogspot.com/2018/06/las-tecnicas-de-corte-del-arco_77.html
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