Interruptor de vacío: dispositivo y principio de funcionamiento + matices de selección y conexión

El interruptor de vacío – es un dispositivo diseñado para su uso en redes eléctricas de alta tensión. Su nombre proviene de una característica de su construcción – la cámara de vacío, que permite la extinción instantánea del arco eléctrico.

El dispositivo se utiliza como interruptor, diseñado para desconectar el equipo en caso de emergencia o durante la operación normal. Analicemos en detalle qué es un interruptor de vacío y para qué sirve.

¿Cómo funciona un interruptor de vacío de alta tensión?

La base de la funcionalidad de las cámaras de vacío utilizadas en la construcción de los interruptores son las propiedades físicas del gas en estado de rarefacción. En estas condiciones, la propiedad del gas conocida como rigidez dieléctrica cambia significativamente hacia un aumento.

Este efecto del medio altamente enrarecido (rango de 10^-6 a 10^-8 N/cm²) se utiliza con éxito en las construcciones de interruptores, complementadas con cámaras de vacío de gas a través de las cuales pasan los grupos de contactos eléctricos.

Uno de los modelos de interruptor de vacío – un dispositivo utilizado en la operación de redes eléctricas de potencia. Se considera más moderno y confiable en comparación con dispositivos similares, pero de otro tipo de construcción.

La corriente que fluye a través de los grupos de contactos (en el momento de la separación del contacto) forma una descarga eléctrica – un arco. La combustión del arco se produce debido a la ionización parcial de los vapores metálicos, inevitablemente generados por la alta temperatura. El paso de corriente entre los contactos a través del plasma formado se mantiene hasta que la corriente llega a la línea de cero.

Tan pronto como se alcanza el punto de cruce por «cero», el arco eléctrico se extingue. El tiempo total del proceso no supera los 7-10 microsegundos.

Estructura de los interruptores de vacío

La variedad de interruptores de vacío, teniendo en cuenta su diseño, es bastante amplia. Por lo tanto, es difícil dar una característica general de estos dispositivos. Sin embargo, independientemente de las diferencias de diseño, el principio de funcionamiento sigue siendo el mismo.

Diagrama estructural del interruptor de vacío: 1 – terminal superior; 2 – cámara de vacío; 3 – aislador polimérico; 4 – terminal inferior; 5 – contacto de cinta; 6 – resorte de potencia; 7 – vástago de tracción; 8 – resorte de desconexión; 9 – palanca de transmisión; 10 – eje del accionamiento; 11 – disparador; 12 – carcasa

Consideremos para conocimiento general el interruptor de vacío tripolar, equipado con un accionamiento de resorte motor. Este aparato está diseñado para instalación interior o instalación al aire libre. En cualquier caso, su montaje se realiza dentro de cajas metálicas de distribución especiales.

Los aparatos pueden operar en los más diversos sectores de la economía nacional. Sin embargo, existen algunas limitaciones.

Así, los interruptores de vacío no están diseñados para su instalación y posterior operación en las siguientes condiciones:

• locales con atmósfera peligrosa por incendio o explosión;
• instalaciones que, por su diseño, requieren conmutación frecuente;
• instalaciones de tipo móvil (portátil);
• sistemas energéticos de embarcaciones marítimas y fluviales.

Los interruptores de tipo vacío generalmente presentan dos tipos de diseño:

1. Para instalación fija.
2. Para instalación con carro de aparatos.

Independientemente del diseño, la zona del cuerpo del aparato contiene tres polos equipados con cámaras de extinción de arco.

Dentro de las cámaras de vacío funcionan contactores móviles, accionados por un mecanismo de resorte motor. El cuerpo del aparato se complementa con un panel frontal donde se encuentran los elementos de indicación y los dispositivos de control.

Elementos exteriores principales del interruptor: 1 – polos del aparato; 2 – mecanismo de bloqueo de encendido; 3 – ventana de elevación; 4 – manija de la mecánica que bloquea los circuitos externos

Los tres polos del circuito principal tienen forma de columnas. La ubicación de los polos suele estar en la parte trasera del chasis del accionamiento de resorte motor. Cada polo está equipado con una cámara de extinción de arco, encerrada dentro de un aislador polimérico. Para aumentar la rigidez dieléctrica, el cuerpo del aislador tiene forma acanalada.

Dentro de cada cámara de vacío se monta un grupo de contactos de dos elementos – móvil y fijo. El elemento de contacto móvil está conectado al mecanismo de conmutación a través de un aislador de tracción. Luego, conexión con el terminal de contacto inferior. Y el contacto fijo se conecta al terminal de contacto superior del aparato mediante un asiento cónico.

¿Cómo funciona el accionamiento del interruptor?

Los contactos móviles de las cámaras de vacío están conectados mecánicamente al eje del accionamiento de resorte motor. Gracias al resorte de potencia, previamente tensionado (colocado en estado de estiramiento), el accionamiento se puede activar fácilmente con solo presionar un botón de control u otro mecanismo.

Diagrama estructural de la cámara de vacío: 1 – bloque de terminales del contacto fijo; 2 – contacto fijo; 3 – contacto móvil; 4 – pantalla metálica; 5 – aislador cerámico (polimérico); 6 – fuelle; 7 – bloque de terminales del contacto móvil

El resorte (generalmente dos resortes) se tensa mediante una transmisión por cadena. El modo normal de funcionamiento del equipo prevé el tensado del resorte mediante un motor eléctrico equipado con un reductor. No obstante, existe una manija de tensado manual que se utiliza en caso de emergencias o pérdida de alimentación.

El resorte tensado se fija mediante un mecanismo de disparo. Este mecanismo se controla a través de un accionamiento electromagnético o un botón de encendido. Una vez activado el modo de encendido, se libera la fijación, la fuerza de tensión del resorte acciona el mecanismo de levas. Este, a su vez, actúa sobre un eje que está conectado mecánicamente con el mecanismo de conmutación de los contactos móviles de las cámaras de vacío.

La operación de desconexión del interruptor de vacío se realiza activando el modo «Desconectado» – mediante un electroimán o un botón. La secuencia de acciones es prácticamente análoga al primer modo. Aquí también intervienen los resortes de desconexión, cuyo estado establece el mecanismo de disparo de desconexión.

Panel de control y elementos de indicación: 1 – modo «encendido»; 2 – modo «apagado»; 3 – estado tensado del resorte; 4 – estado liberado del resorte

La facilidad de uso y el control del funcionamiento del aparato los proporciona el panel de control. En el frontal del panel se encuentran los elementos: contador de ciclos, indicador del estado del resorte de tensado, indicador del estado del interruptor de vacío.

Características de las estructuras extraíbles

El equipo de tipo extraíble está montado sobre un carro de aparatos especial. Con este accesorio, el interruptor se introduce dentro del armario o se extrae del mismo.

El carro de aparatos no solo actúa como transporte del dispositivo, sino que también cumple la función de controlador de conexión del dispositivo al modo de prueba o al modo de funcionamiento, tan pronto como el interruptor se desliza dentro del armario.

Carro de aparatos: 1 – rodillo (4 uds.); 2 – base; 3, A – base móvil; 4 – manija (2 uds.); 5 – alojamiento del manubrio; 6 – placa de bloqueo; 7 – elemento de fijación; 8 – conector para circuito secundario; 9 – mecanismo de bloqueo del aparato; 10 – contactos de bloqueo; 11 – placa de fijación del tornillo; B – parte fija

El interruptor de vacío se fija directamente a la parte móvil del carro. La fijación se realiza mediante uniones atornilladas. Por otra parte, el carro de aparatos también tiene una parte fija, donde se fija el accionamiento de la parte móvil. El movimiento del módulo móvil respecto al fijo se realiza mediante el tornillo de la manija de control del carro.

Parte móvil – base metálica sobre cuatro ruedas, con tratamiento galvánico. Incluye un bloqueo mecánico externo (barra de presión) del dispositivo de puesta a tierra, bloqueo del tornillo de accionamiento, contactos auxiliares, mecanismo de bloqueo del interruptor y otros elementos que aseguran el movimiento o la fijación.

Instalación y conexión del dispositivo

Antes de comenzar a instalar el interruptor de vacío, es necesario inspeccionar todos los elementos accesibles externamente para asegurarse de que no haya daños ni defectos. Luego, se limpian las superficies aislantes de los polos con un paño seco sin pelusa.

No se permite la instalación del equipo en el sistema si las superficies aislantes presentan astillas, grietas o zonas deformadas. Es obligatorio verificar el esquema de los circuitos secundarios, así como la conexión de la barra de tierra del chasis.

Verificación del aparato instalado. Es importante revisar minuciosamente cada pieza, cada elemento de fijación. Los equipos de alta tensión no perdonan ni el más mínimo error.

Antes de la instalación, se debe comprobar el funcionamiento del interruptor mediante el accionamiento manual (en vacío, sin alimentación) y verificar la posición correcta de los indicadores del panel de control. Luego, se debe verificar la presencia de las cubiertas de los polos. Si se utiliza equipo para una corriente nominal de 1600 A o superior, se deben retirar las cubiertas de protección antes del montaje.

Conexión directa a la red

Es necesario limpiar los terminales de los conectores de los conductores de los cables de potencia antes de conectarlos a los bornes del interruptor.

El procedimiento de limpieza varía según el material de los terminales:

• Para terminales de cobre y aluminio sin recubrimiento adicional, la limpieza se realiza con papel de lija de grano M20 o inferior, seguido de desengrasado de la superficie metálica.
• Si los terminales de cobre o aluminio están recubiertos con una capa de plata, basta con limpiarlos con un paño sin pelusa.

No se deben utilizar cables cuyo recubrimiento de plata de los terminales esté dañado en más del 5% de su superficie. En ese caso, se debe reemplazar el elemento dañado. Se puede obtener más información sobre los terminales para la conexión de cables en este material.

Los conductores externos se conectan a los bornes del interruptor de vacío de manera que no se generen esfuerzos mecánicos sobre los bornes del aparato por parte de los conductores externos. Las conexiones se realizan mediante un acoplamiento atornillado con arandelas metálicas planas elásticas.

¿Cómo se realiza la puesta a tierra?

Los aparatos de versión fija se conectan a la placa de tierra mediante una unión atornillada (M12) directamente en el punto marcado con la etiqueta 'Tierra'.

Elementos de la estructura del carro del aparato y del chasis del interruptor a través de los cuales se realiza la puesta a tierra del dispositivo. Por lo general, estos puntos se marcan con el signo correspondiente colocado junto al elemento.

La zona del punto de contacto «Tierra» debe desengrasarse antes de la conexión. Como conductor de puesta a tierra se debe elegir una barra de sección suficiente (Reglamento de Instalaciones Eléctricas), un cable flexible o un conductor trenzado en haz. Antes de colocar el conductor sobre la placa de contacto, las superficies de contacto deben lubricarse con un lubricante especial (Tsiatim-203).

La construcción de tipo extraíble se conecta a tierra mediante los elementos del carro del aparato. La puesta a tierra del interruptor de vacío se realiza a través de la estructura del carro del aparato, para lo cual también existen elementos de fijación.

Puesta en servicio del dispositivo

La puesta en marcha del dispositivo se realiza después de una verificación adicional del equipo instalado y preparado. En particular, se verifica la fiabilidad de la puesta a tierra, el estado de la sujeción de los componentes ensamblados, el acceso del medio de refrigeración a los elementos potencialmente calientes.

Las superficies de las varillas conductoras en contacto con las láminas de los grupos de contactos de enchufe deben tratarse con una pequeña cantidad de lubricante Tsiatim. En general, deben realizarse todos los procedimientos previstos por el PUE para las pruebas de aceptación y verificar que el valor de la tensión de operación esté dentro de los límites permitidos.

Instalación del interruptor de vacío. Los trabajos de montaje deben ser realizados únicamente por personal cualificado. Los mismos requisitos se aplican al personal seleccionado para el mantenimiento de equipos de alta tensión.

El personal autorizado para maniobrar el interruptor de vacío debe contar con permiso para dar servicio a instalaciones eléctricas que funcionen a más de 1000 voltios. El grupo de autorización aprobado para el personal de servicio no debe ser inferior al tercero. Antes de comenzar a trabajar con el equipo, el personal recibe una formación técnica mínima para conocer los detalles del modelo específico del equipo.

¿Cómo elegir un interruptor de vacío?

El dispositivo se selecciona teniendo en cuenta sus parámetros nominales, que se consideran en relación con los parámetros de la red activa en el lugar de instalación. La selección se realiza según el criterio de los modos de funcionamiento más cargados previstos para las condiciones de operación.

Se permite que la tensión nominal del interruptor de vacío sea igual (o mayor) a la tensión nominal del sistema alimentado a través del interruptor.

El parámetro de corriente nominal permanente se selecciona por encima del valor nominal de corriente del sistema alimentado. El parámetro de corriente nominal de corte se selecciona por encima del valor máximo de la corriente de cortocircuito calculada (se considera el momento de separación de los contactos).

La placa con las características técnicas es lo primero en lo que se fija al elegir un interruptor. Basándose en los valores de los parámetros, ya se puede determinar si el dispositivo es adecuado para una instalación específica o no.

Desde el punto de vista de las posibles condiciones de cortocircuito, la selección se realiza teniendo en cuenta los modos más severos.

La componente aperiódica se calcula teniendo en cuenta las condiciones de cortocircuito con tensión cero en cualquiera de las líneas de fase. Se debe considerar el parámetro de corriente aperiódica establecido por el fabricante del equipo.

Conclusiones y video útil sobre el tema

Puede obtener más información sobre la estructura, el principio de funcionamiento y las condiciones de instalación de un interruptor de vacío en el siguiente video:

Los interruptores de vacío se diferencian de otros tipos de dispositivos por su estructura relativamente simple y confiable. Por lo tanto, este tipo de equipo funciona durante mucho tiempo sin quejas significativas. La vida útil por desgaste natural se determina por un número de operaciones de al menos 20 000. Si se realiza un mantenimiento oportuno, esta vida útil aumenta entre un 5 % y un 10 %. Mientras tanto, el mantenimiento de los interruptores de vacío se limita a una pequeña cantidad de operaciones sencillas.

Si al revisar la información surgen preguntas sobre el tema del artículo o tiene información valiosa que pueda compartir con nuestros lectores, por favor, deje sus comentarios, comparta su experiencia, haga preguntas en el bloque debajo del artículo.