Technologies for the Utility Industry

Simplificación de los interruptores Interruptores automáticos de tanque muerto para 80 kA y 145–242 kV Willie Freeman, Helmut Heiermeier

La próxima vez que usted rearme un interruptor magnetotérmico de 10 A en su casa, piense un poco en los interruptores automáticos, situados tal vez a varios kilómetros de distancia, que operan con intensidades de cortocircuito de hasta 80.000 A. Estos avanzados equipos para tensiones de hasta 245 kV, tradicionalmente del tipo de aceite o de doble presión, tienen el tamaño de un automóvil pequeño, es decir, son bastante complejos y voluminosos. Un tercer tipo de interruptor, más sencillo, barato y fácil de utilizar, es el interruptor de SF6 de tanque muerto (DTB), que hasta ahora no había sido utilizado para valores nominales tan elevados y exigentes. Ahora, ABB lo está utilizando para un nuevo diseño de 80 kA que combina las características de un interruptor automático unipolar simple con las de un acreditado interruptor automático de tipo PM de tanque muerto.

H

ace años, Westinghouse e ITE fabricaron interruptores de SF6 de doble presión para aplicaciones de 80 kA, muchos de los cuales todavía se encuentran en servicio. Estos equipos funcionan soplando gas SF6 a alta presión (aproximadamente a 1.900 kilopascales, o 260 psig) a través de los contactos del arco durante el proceso de interrupción. Además se utiliza el SF6 a una presión mucho menor como medio aislante en los depósitos, columnas y aisladores del interruptor. El buen funcionamiento de estos interruptores se basa en la aplicación instantánea

48

de un gran volumen de gas SF6 a alta presión. Este diseño tiene una clara ventaja funcional sobre los interruptores sopladores, que requieren cierto tiempo para comprimir el gas durante la carrera de apertura. Sin embargo, el sistema de doble escalón y doble presión, con sus sopladores de gas, compresores, secadores, tubos de alimentación a alta presión y depósitos a alta presión, aislados y calentados, es bastante complejo y caro. Por esta razón, los interruptores sopladores de presión única se han convertido en el estándar para los

nuevos interruptores de potencia en todo el mundo. Hasta ahora no se disponía de interruptores sopladores SF6 de tanque muerto para intensidades de 80 kA; la tecnología de interruptores sopladores con presión única ha ido por detrás de los interruptores automáticos de aceite y de SF6 de doble presión en cuanto a capacidad para la interrupción de corriente de los niveles más altos. El mayor rigor de las normas ANSI y una mayor exigencia en aplicaciones tales como la interrupción de corrientes capacitivas han definido Revista ABB 3/2002

Con y sin tanque muerto La tecnología de tanque muerto se caracteriza porque la cámara del interruptor está alojada en un contenedor metálico conectado a tierra. Por lo tanto, el gas SF6 aísla del contenedor las partes que están sometidas a una alta tensión. Los aisladores externos conectan la cámara del interruptor con los bornes de alta tensión.

soplador de 80 kA para interruptores automáticos GIS a 245 kV y 550 kV. El diseño se basaba en el interruptor SP que ABB venía utilizando desde 1988 en sus interruptores automáticos tipo PA a 242 kV para un nivel de intensidad de cortocircuito de 63 kA. El primer interruptor de 80 kA estaba limitado a 170 kV con una sola interrupción y requería dos interrupciones para 245 kV y tres interrupciones para 1

550 kV. El perfeccionamiento continuo del interruptor SP ha aumentado desde entonces la capacidad de tensión de recuperación hasta 245 kV con una sola interrupción, lo que permite utilizar un mismo interruptor para tensiones nominales de 145 kV y 245 kV. El interruptor automático puede ser accionado por tres polos o por polo independiente, con la opción de actuación síncrona.

Interruptor automático PMG 242 de tres polos, equipado con interruptores

de 80 kA

La cámara de un interruptor automático sin tanque muerto, alojada en el aislador (de porcelana o material compuesto), está a un alto potencial; el nivel de tensión determina la longitud de los aisladores de la cámara del interruptor y de la columna de aisladores.

nuevos límites para la tecnología del soplado. ABB ha superado los problemas que hasta ahora impedían aplicar la tecnología de soplado para intensidades de 80 kA mediante el desarrollo de un interruptor soplador de una sola presión, basado en su interruptor tipo ‘tanque muerto’. El nuevo equipo utiliza muchos componentes del muy conocido y extensamente empleado interruptor automático de 63 kA, reduciendo drásticamente las necesidades de rediseño técnico. La compañía ABB está perfectamente familiarizada con este campo tecnológico, ya que en 1992 desarrolló un interruptor Revista ABB 3/2002

49

Technologies for the Utility Industry

2 Cámara de interruptor de 80 kA con flujos de gas de escape caliente (rojo) 1 Lado móvil 2 Aislante tubular 3 Lado fijo

2 1

Este gran avance llega en un momento oportuno: en todo el mundo se encuentran en servicio entre 200 y 300 interruptores automáticos de 80 kA con ‘diseños de una generación anterior’; estas unidades, de aceite o de SF6 de doble presión, se están acercando al final de su vida útil. Además, las nuevas centrales eléctricas comerciales (construidas fuera del mercado protegido y que ‘operan independientemente’ en los nuevos mercados eléctricos competitivos) plantean exigencias muy altas a las redes eléctricas y necesitan un rendimiento de interrupción mayor, de ahí la creciente demanda de productos para 80 kA. Utilización de los mismos componentes para reducir los costes

El interruptor SP de 80 kA está siendo utilizado como base para construir un interruptor automático para tensiones nominales tanto de 145 kV como de 242 kV. Una base común tiene la ventaja de maximizar el volumen de producción para la intensidad de 80 kA. También se dispone de una opción para alta intensidad de corriente continua (5.000 amperios). El interruptor automático 242 PMG actual de 63 kA, operado por tres polos 1 , y el interruptor automático 242 PMI accionado por polo independiente dis50

3

pondrán de contactos de 80 kA para ambas configuraciones de operación. El diseño exterior del interruptor automático sigue siendo el mismo que se ha utilizado hasta ahora para altas intensidades nominales. La fabricación del interruptor automático de 80 kA tiene la gran ventaja de compartir algunos componentes con el interruptor automático de 63 kA, de utilización más extensa, que ya tiene un excelente historial de servicio. Las diferencias de diseño se encuentran solo en los contactos y en las conexiones internas de los mismos. Se puede utilizar el mismo mecanismo de accionamiento y el mismo sistema de conexión para ambos interruptores, ya que el interruptor de 80 kA no necesita una energía de accionamiento mucho mayor. El cilindro y el pistón del sistema de soplado no necesitan tener mayores dimensiones al aumentar la intensidad nominal de 63 kA a 80 kA, de modo que la superficie de presión no ha de ser mayor. Además, el pistón del interruptor SP dispone de dispositivos de sobrepresión que limitan el aumento de la presión durante los arcos de alta intensidad en el interruptor. Los interruptores de 63 kA y 80 kA trabajan ambos con el mismo límite de aumento de presión y con la misma carrera de apertura. Esto hace que el trabajo necesario para comprimir el gas SF6 sea el mismo en ambos niveles de interrupción.

La masa de los contactos en movimiento aumenta solo ligeramente, pues los contactos del arco solo son unos pocos milímetros más grandes y la velocidad de apertura permanece constante. La velocidad de apertura depende principalmente de la velocidad con que ha de aumentar la rigidez dieléctrica durante la maniobra de apertura para ser capaz de resistir el aumento de la tensión transitoria de restablecimiento. Por lo tanto no aumenta la energía cinética (1/2MV2) que debe suministrar el mecanismo. La energía total que debe proporcionar este mecanismo es la suma de la energía de compresión del gas SF6, la energía cinética y las pérdidas por rozamiento. Aunque esta energía aumenta ligeramente, sigue encontrándose dentro de la capacidad del mecanismo 242 PM. Los aisladores para 242 kV, los mismos que se utilizan en el interruptor automático de 63 kA, podrán ser de material compuesto o de porcelana. El conductor interno de los aisladores es diferente, ya que se conecta a una caja de interruptor más grande con un conjunto doble de contactos de transmisión de corriente para una intensidad nominal mayor. Perfeccionamiento de las toberas

El nuevo diseño de interruptor de 80 kA exigía hacer mejoras en dos áreas: la primera era el canal de flujo de las toberas, al que hubo que dar una nueva forma para que soportara la mayor tensión de recuperación transitoria (TRV) para el caso de tensión nominal 245 kV. La segunda era la cámara del interruptor 2 , que debía contener y enfriar los gases de escape tras un fallo a 80 kA antes de introducirlos en el depósito 242 PM, que es relativamente pequeño. Revista ABB 3/2002

3

Revista ABB 3/2002

x

Sin ruptura

•

Rigidez dieléctrica del interruptor

1

TRV capacitiva (caso más desfavorable de tensión para conmutación de corriente capacitiva)

V [ kV ]

La tobera mejorada ha sido desarrollada con la ayuda de ensayos de características en frío, conjuntamente con un avanzado software de cálculo que simula las características de TRV de apertura de la conmutación capacitiva. Durante una operación de apertura se aplican impulsos de tensión de alta frecuencia en varios puntos de la trayectoria para establecer la resistencia dieléctrica dinámica del espacio de separación. La rigidez dieléctrica debe ser superior a la forma de onda de la tensión de conmutación de los condensadores y ha de tener suficiente margen para asegurar un perfecto funcionamiento. Esta técnica establece si existen vacíos de flujo que producen zonas de debilidad dieléctrica. Los vacíos de flujo son regiones de baja densidad producidas por una expansión demasiado rápida del gas en la tobera, que da lugar a una súbita caída de la rigidez dieléctrica en algún punto de la carrera de apertura. El ensayo de características en frío tiende a ser muy complejo, dada la multiplicidad de operaciones necesarias para desarrollar la característica en frío de toda la trayectoria de apertura, tanto con polaridades positivas como con polaridades negativas. Sin embargo, este ensayo permite prescindir de diversos ensayos de energía y da idea detallada de cómo mejorar la forma de la tobera. Tal como se muestra en 3 , la rigidez eléctrica de apertura del interruptor es superior a 1-cos de la forma de onda típica de las tensiones capacitivas de restablecimiento de la conmutación. Merece la pena resaltar que los ensayos de características en frío son simulaciones efectuadas para ayudar a diseñar la tobera y no sustituyen los ensayos prácticos de conmutación de condensadores ni los ensayos de energía de otro tipo.

Rigidez dieléctrica de apertura (V) en función de la trayectoria de apertura

1

0

50

100

150

200

250

T[ m m ]

4

Interruptores SP de 80 kA (a la izquierda) y de 63 kA

51

Technologies for the Utility Industry

res. Sin embargo, estos condensadores también pueden ser montados en soportes individuales, compartidos por dos o más interruptores. Esta opción reduce el número de condensadores necesarios y mejora la disposición de la subestación.

Mejora de la cámara de interruptor

Durante la interrupción, los gases calientes salen por la tobera en ambas direcciones. Las cámaras del contacto móvil y del contacto fijo deben capturar dichos gases calientes, mezclarlos con el SF6 frío y enviarlos al depósito una vez que se hayan enfriado lo suficiente para recuperar su rigidez dieléctrica. El aumento de energía y volumen de los gases de escape es proporcional al cuadrado de la corriente de fallo; por lo tanto, la cámara del interruptor de 80 kA debe poder soportar 1,6 veces la energía de escape del interruptor de 63 kA. La nueva cámara debe contrarrestar la necesidad de un mayor tamaño con las limitaciones de evacuación del dieléctrico del depósito 242 PGM. En la figura 4 se muestran los interruptores de 80 kA junto a las unidades de 63 kA. Se ha aumentado la capacidad de recepción de gases de escape para responder a la mayor corriente de fallo y se han mejorado los deflectores internos para retener, mezclar y enfriar mejor los gases calientes. La unidad es de mayor tamaño, pero puede ser instalada en el mismo depósito con una forma que optimice la rigidez dieléctrica del aislamiento de SF6. Además, los contactos internos enchufables, situados en la parte superior de cada cámara de gases de escape, han sido perfeccionados para soportar la mayor corriente de fallo de 80 kA. Condensadores externos

El interruptor automático PMG 242 de 63 kA necesita un condensador de 10 nF en el lado de la línea para reducir la velocidad con que aumenta la tensión de recuperación a través de los contactos debidos a fallos próximos. Esto se debe a que el gas SF6 ionizado en la separación entre 52

2

Facilitar la ruptura

1

3

5

Condensador externo montado

directamente a través del aislador, haciendo innecesarios la cimentación individual y el soporte del condensador 1 Condensador de material compuesto 2 Aislador de material compuesto 3 Caja CT en el depósito del interruptor

contactos necesita varios microsegundos para recombinarse lo suficiente para resistir las rápidas reflexiones de tensión producidas por fallos sucedidos a algunos kilómetros del interruptor. En el caso del interruptor automático de 80 kA, la capacitancia en el lado de la línea ha de aumentar hasta 30 nF. Además se necesitan 15 nF en el lado de la barra para resistir los nuevos requisitos de ITRV (TRV inicial) según la última revisión de la normativa. Los condensadores externos son bastante grandes, pero tanto las unidades de 15 nF como las unidades de 30 nF tienen una caja de material compuesto que reduce en lo posible su tamaño y peso. Pueden montarse directamente a través de cada uno de los aisladores 5 para eliminar la necesidad de una cimentación y de un soporte para cada uno de los condensado-

Ahora que se ha ampliado la tecnología de interruptores sopladores para incluir en ella la gama de 80 kA / 245 kV, los operadores disponen de un sustituto de la tecnología tradicional, más compleja y ya obsoleta. También es posible actualizar los interruptores automáticos PMG/I 242 existentes con interruptores de 80 kA, ya que el diseño externo del interruptor automático sigue siendo el mismo. La tecnología de interruptores SP y de interruptores automáticos PM ha sido perfeccionada para mejorar sus prestaciones, pero sin prescindir de las ventajas de un diseño sobradamente acreditado. También se dispone de opciones de operación por tres polos o por polo independiente, así como de operación síncrona, para responder a las necesidades específicas de la aplicación. Y lo que es más importante, este gran avance de la tecnología de interruptores automáticos va a hacer más fácil y más barata la vida de las compañías eléctricas y de la industria. Autores Willie Freeman ABB Inc. Greensburg, PA USA [email protected] Helmut Heiermeier ABB Schweiz AG 5401 Baden Suiza [email protected]

Revista ABB 3/2002