Interruptores de gas SF6: pautas de selección y reglas de conexión

El funcionamiento de las redes eléctricas de alta tensión en cuanto a características de corriente no es comparable con el de los equipos domésticos. En consecuencia, ante una situación de emergencia, para desconectar el equipo y extinguir el arco eléctrico se requieren dispositivos más potentes que los dispositivos automáticos estándar.

Como dispositivos de protección se utilizan interruptores de SF6 (IS), que pueden operarse tanto manualmente como de forma automatizada. Hemos descrito en detalle las características constructivas y el principio de funcionamiento de los equipos. Proporcionamos recomendaciones para la instalación, conexión y mantenimiento.

Definición y aplicación del SF6

El SF6 es hexafluoruro de azufre, que se clasifica como un gas electrotécnico. Gracias a sus propiedades aislantes, se utiliza activamente en la fabricación de dispositivos electrotécnicos.

En estado neutro, el SF6 es un gas no inflamable, incoloro e inodoro. Si se compara con el aire, se puede notar su alta densidad (6,7) y masa molecular que supera la del aire en 5 veces.

Una de las ventajas del SF6 es su resistencia a las influencias externas. No cambia sus características bajo ninguna condición. Si se produce una descomposición durante una descarga eléctrica, pronto ocurre una recuperación completa, necesaria para el funcionamiento.

El secreto es que las moléculas de SF6 capturan electrones y forman iones negativos. La propiedad de «electronegatividad» ha dotado al hexafluoruro de azufre de la característica de resistencia eléctrica.

En la práctica, la resistencia eléctrica del aire es 2-3 veces más débil que la misma propiedad del SF6. Además, es ignífugo, ya que pertenece a las sustancias no inflamables, y posee capacidad de enfriamiento.

Cuando surgió la necesidad de encontrar un gas para extinguir el arco eléctrico, se empezaron a estudiar las propiedades del SF6 (hexafluoruro de azufre), tetracloruro de carbono y freón. En las pruebas, el SF6 resultó ganador.

Las características mencionadas hicieron que el SF6 sea el más adecuado para su aplicación en el ámbito electrotécnico, en particular, en los siguientes dispositivos:

• transformadores de potencia que funcionan según el principio de inducción magnética;
• dispositivos de distribución de tipo compacto;
• líneas de alta tensión que conectan instalaciones remotas;
• interruptores de alta tensión.

Sin embargo, algunas propiedades del gas SF6 llevaron a tener que mejorar el diseño del interruptor. El principal inconveniente se refiere a la transición de la fase gaseosa a la líquida, lo que es posible bajo ciertas relaciones de parámetros de presión y temperatura.

Para que el equipo funcione sin interrupciones, es necesario garantizar condiciones confortables. Supongamos que, para el funcionamiento de los dispositivos de SF6 a -40°, se requiere una presión no superior a 0,4 MPa y una densidad inferior a 0,03 g/cm³. En la práctica, si es necesario, se calienta el gas, lo que impide la transición a la fase líquida.

Construcción del interruptor de SF6

Si se comparan los dispositivos de SF6 con análogos de otros tipos, por diseño se asemejan más a los dispositivos de aceite. La diferencia radica en el llenado de las cámaras de extinción del arco.

Como relleno, en los interruptores de aceite se utiliza una mezcla de aceite, y en los de hexafluoruro de azufre, hexafluoruro de azufre. La ventaja de la segunda opción es la durabilidad y el mínimo mantenimiento.

Esquema de un dispositivo de SF6 de tipo columna. Los módulos de extinción de arco, fijados en un soporte alto, se encuentran en la parte superior, el armario de control en la inferior.

Los métodos de extinción del arco eléctrico dependen de muchos factores, entre los cuales los decisivos son la corriente y tensión nominales, así como las condiciones de uso del dispositivo.

En total, se distinguen cuatro tipos de interruptores de SF6:

• con soplado electromagnético;
• con soplado en SF6 – con 1 etapa de presión;
• con soplado longitudinal – con 2 etapas de presión;
• con soplado autogenerado.

Si en los dispositivos de aire el gas se libera a la atmósfera durante la extinción del arco, en los de SF6 permanece en un espacio cerrado lleno de la mezcla gaseosa. Se mantiene una pequeña sobrepresión.

Dispositivos de columna y de tanque

En la práctica se utilizan dos tipos de instalaciones de SF6:

• de tanque;
• de columna.

Las diferencias se refieren tanto a las características de diseño como al principio de extinción del arco eléctrico. En cuanto a la apariencia, los de columna se asemejan a los análogos de poco aceite: constan de dos partes funcionales – la de extinción de arco y la de contacto, y tienen dimensiones igualmente voluminosas.

Los dispositivos de desconexión están diseñados para funcionar con red de 220 V y pertenecen al equipo monofásico. Un ejemplo de interruptor de SF6 de tipo columna – LF 10 Schneider Electric.

El control del equipo puede realizarse de dos maneras diferentes: manualmente, cuando el ajuste y la supervisión se efectúan mediante dispositivos mecánicos, y de forma remota y automática.

Los dispositivos de SF6 de tipo tanque son más pequeños y están equipados con un accionamiento de varias fases. Esta distribución permite un mejor control y un ajuste suave de los parámetros de tensión.

Una de las ventajas de los disyuntores de tanque es la capacidad de soportar cargas incrementadas. Esta cualidad la proporciona el transformador de corriente incorporado en la construcción.

Un ejemplo de dispositivo de tanque es la instalación de hexafluoruro de azufre DT2-550 F3 de Alstom Grid. Dispositivos similares han demostrado un buen rendimiento en sistemas eléctricos de 500 kV.

La construcción está ensamblada y equipada de tal manera que funciona sin fallos a bajas temperaturas (críticas), alta humedad, así como en regiones con actividad sísmica y alta contaminación atmosférica.

Principio de extinción del arco

Cómo funciona el dispositivo, lo veremos en el ejemplo del interruptor LW36 del fabricante chino CHINT.

Al desconectar, el resorte actúa sobre los elementos dinámicos del cilindro y estos descienden. Todos los contactos, excepto los de extinción de arco, se abren. Cuando también se separan los contactos de extinción de arco, por los que pasa la corriente, se genera un arco eléctrico.

El gas caliente se desplaza hacia la cámara térmica y se activa la válvula de retención. Cuando el gas de la cámara térmica es expulsado al espacio, se produce la extinción del arco.

Si se produce la desconexión de corrientes de pequeña magnitud, la presión en la cámara térmica no es suficiente, por lo que se utiliza la presión de la cámara de compresión (siempre es mayor). Se abre la válvula de retención, el gas entra sin obstáculos en el espacio y, al pasar por cero, extingue el arco.

Esquema de la disposición interna y funcionamiento de las válvulas móviles, fijas, de descompresión y de retención. Posición 1 – conexión; posición 2 – desconexión de corrientes grandes; posición 3 – desconexión de corrientes pequeñas; posición 4 – desconexión del dispositivo.

Las instalaciones columnares modernas tienen características mejoradas. El mantenimiento se ha reducido al mínimo, el recurso de conmutación ha aumentado. Los interruptores de hexafluoruro de azufre se caracterizan por bajo nivel de ruido, mecánica confiable y simplicidad en los trabajos de montaje y pruebas.

El ajuste de los modelos de tanque se realiza mediante el accionamiento y los transformadores. El accionamiento de resorte o hidráulico-resorte controla los procesos de conexión/desconexión y el nivel de retención del arco eléctrico.

¿Para qué sirve el accionamiento?

El accionamiento está diseñado para realizar todas las operaciones relacionadas con la conexión/desconexión o el mantenimiento de la instalación en una posición determinada. En el esquema se muestra dónde puede ubicarse el accionamiento. Generalmente, es la superficie del suelo o un soporte bajo que proporciona al personal de servicio un fácil acceso a los dispositivos de ajuste.

Esquema de la construcción del interruptor de tanque: 1 – módulos de porcelana o polímero; 2 – transformadores; 3 – tanque con dispositivo de extinción de gas; 4 – cámara de gas; 5 – accionamiento de tipo hidráulico; 6 – marco metálico; 7 – conector para introducir hexafluoruro de azufre.

El accionamiento consta de un mecanismo de cierre, un dispositivo de fijación – un pestillo, y un mecanismo de disparo. El proceso de cierre debe ocurrir lo más rápido posible para evitar la soldadura de los contactos.

Durante el cierre se aplican grandes esfuerzos para superar la fuerza de fricción de todos los elementos involucrados. La apertura se realiza más fácilmente y consiste en el movimiento inverso del pestillo, que asegura el cierre y su mantenimiento.

Existen varios modos de cierre/apertura:

• mecánico;
• de resorte;
• de peso;
• neumático;
• electromagnético.

Para sistemas de baja potencia se utiliza control manual. En este caso, la fuerza de un solo operador es suficiente. La apertura de los mecanismos manuales generalmente se realiza de forma automática. El accionamiento de resorte también se acciona manualmente, pero a veces se utilizan motores eléctricos de baja potencia.

La ubicación tradicional del accionamiento es cerca del bastidor metálico de montaje. La integridad y el funcionamiento del mecanismo los garantiza una robusta carcasa metálica: una caja con una puerta conveniente para el trabajo del operador.

Para utilizar un accionamiento electromagnético se requiere más energía, por lo que es necesaria una fuente de corriente continua de aproximadamente 58 A con un voltaje de 220 V. Como mecanismo de desconexión de reserva, se dispone de una palanca manual. Los dispositivos electromagnéticos se caracterizan por su fiabilidad, por lo que se utilizan con éxito en zonas con inviernos severos. Su desventaja es la necesidad de una batería potente.

El accionamiento neumático se diferencia en que, en lugar de un electroimán, el elemento de trabajo principal es un par cilindro/pistón. Gracias al aire comprimido, la velocidad de cierre es mucho mayor que en los modelos anteriores.

Ventajas y desventajas del uso de los interruptores de SF6 (IS)

Los interruptores de hexafluoruro de azufre, al igual que otros tipos de dispositivos de distribución eléctrica, tienen una serie de ventajas y desventajas. Al seleccionar una instalación, se realizan los cálculos necesarios y, además de las características técnicas y las particularidades de diseño, se consideran los pros y los contras de los modelos.

Los interruptores de tipo hexafluoruro de azufre funcionan en condiciones adversas con vibraciones periódicas, bajas temperaturas (con calefacción), en zonas con riesgo de incendio.

Entre las desventajas se incluyen el alto costo del relleno (hexafluoruro de azufre, SF6), la especificidad de la instalación en un tablero o base, y la necesidad de una determinada calificación del personal operador.

Reglas de conexión y mantenimiento de los interruptores de SF6 (IS)

Todas las acciones relacionadas con la instalación, encendido/apagado, reparación y mantenimiento de los dispositivos de SF6 se rigen por estrictas reglas, reguladas por la PUE 1.8.21.

Para conectar la instalación, es necesario verificar la presión mínima en la cámara llena de gas; de lo contrario, el interruptor se dañará. Para evitar daños, se ha instalado una alarma que se activa cuando la presión disminuye críticamente. El nivel de presión se puede monitorear mediante un manómetro.

En el armario del accionamiento se han instalado elementos calefactores que evitan eficazmente la formación de condensación en los componentes del mecanismo. El operador debe asegurarse de que los calentadores permanezcan siempre encendidos.

La inspección de la instalación se realiza todos los días durante las horas de luz y aproximadamente 2 veces al mes durante la noche. Si se produce una desconexión de emergencia por alguna de las causas, se requiere una inspección extraordinaria.

Durante la inspección del interruptor, es necesario verificar la protección externa, eliminar la suciedad y reparar los daños. Si los contactos se calientan, se debe determinar la causa.

Si hay crujidos o ruidos sospechosos, es necesario identificar la fuente. La estructura de montaje metálica es al mismo tiempo parte del circuito de puesta a tierra, por lo que se debe verificar su integridad.

Es obligatorio leer los valores del manómetro. La presión debe cumplir con la norma calculada por el fabricante. Es necesario verificar el correcto funcionamiento de los instrumentos de regulación y control, y si uno o varios elementos fallan, tomar medidas: reemplazarlos o enviarlos a reparar.

Si la presión del gas ha disminuido, se debe rellenar la cámara con SF6. El aislamiento no necesita limpieza, ya que la construcción es completamente hermética.

Conclusiones y video útil sobre el tema

Cómo están construidos los interruptores de SF6, según qué principio se extingue el arco y qué tipos de dispositivos existen, usted puede aprenderlo en un video útil e informativo.

Video #1. Revisión de interruptores de SF6 con descripción del dispositivo y principio de funcionamiento:

Video #2. Características de la construcción de los equipos:

Video #3. Cómo se realiza la instalación del interruptor:

Los interruptores de SF6 salen de la línea de montaje de fábrica en plena disposición operativa y están diseñados para funcionar en diversas zonas climáticas, desde tropical hasta fría, por lo que son ampliamente utilizados por empresas industriales de diferentes países.