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Interruptores de vacío: superando barreras en el extremo superior del espectro de tensión
Qué ocurre durante la extinción de un arco en vacío: reconexión rápida del arco de plasma y restablecimiento rápido de la corriente
Cuando los contactos del interruptor de vacío se abren, un vapor metálico se ioniza y forma un arco de plasma. En el nivel extremo de vacío (presión < 10⁻⁴ torr), las partículas cargadas se depositan por vacío sobre los contactos, lo que permite la rápida reconexión del arco de plasma en un intervalo de 1 a 5 ms. Esto también permite que la envoltura de corriente proporcione un aislamiento rápido al sistema antes del siguiente impulso de tensión, posibilitando un control fiable del arco en el preciso instante inicial en que se prevé que la corriente caiga a cero y permitiendo controlar la formación del arco. El nivel de vacío permite una trayectoria libre media aproximadamente 1000 veces mayor para el flujo de electrones que la del gas SF₆. Esta es la razón fundamental por la que los interruptores de vacío son superiores a los interruptores de gas y de aire en la interrupción segura de la corriente eléctrica.
Velocidad de interrupción inferior a 15 ms y mejor supresión del cruce por cero que las alternativas con SF₆ y con interrupción en aire.
En cuanto a la interrupción de fallas, los interruptores de vacío pueden eliminar las fallas en 15 ms o menos, lo que representa un 30–50 % más rápido que los sistemas con SF6 o de ruptura en aire. Dado que un interruptor de vacío se encuentra en un entorno de vacío, la velocidad con la que puede superar una interrupción no está regida por mecanismos complejos de flujo de gas, lo cual, sin embargo, sí ocurre con los aislantes gaseosos. En la clase de 72,5 kV, la tecnología de interruptores de vacío desempeña casi tres veces mejor que el SF6 frente a esas molestas sobretensiones de recuperación transitoria (TRV), comparada con lo que la mayoría de los ingenieros consideran un rendimiento promedio. La mayoría de los ingenieros considera que los mecanismos convencionales de ruptura en aire requieren al menos 8 a 10 cruces por cero de corriente antes de poder interrumpir de forma fiable un arco. Por otro lado, se espera que los interruptores de vacío interrumpan todos los arcos (hasta un 99,8 % de extinción de arco, según la norma IEC 62271-100) en dos cruces por cero o menos. Aplicaciones reales de interruptores de vacío al 100 % también han demostrado picos de tensión sustancialmente menores. Asimismo, ensayos reales han mostrado aproximadamente un 40 % menos de picos de tensión en comparación con los interruptores de vacío aislados en gas. Una alta rigidez dieléctrica permite una integración compacta y fiable en alta tensión.
Resistencia dieléctrica intrínseca del vacío (>30 kV/cm) y diseño escalable del entrehierro de contacto para aplicaciones de 72,5–145 kV
El vacío presenta una resistencia dieléctrica notable, superior a 30 kV por cm, lo que permite una aislamiento eficiente de sistemas de alta tensión sin necesidad de utilizar gases adicionales. Esta característica permite a los ingenieros optimizar la separación del entrehierro de contacto dentro de las categorías normalizadas IEC de 72,5 kV a 145 kV. A diferencia de los interruptores con SF₆, la tecnología de vacío es superior porque mantiene un rendimiento constante independientemente de la temperatura, la altitud y la humedad. Además, la tecnología de vacío elimina las preocupaciones relacionadas con la gestión de gases, permitiendo una operación fiable de subestaciones incluso en condiciones adversas.
Ventajas de espacio y peso: hasta un 30–40 % menos de huella en GIS y subestaciones híbridas comparado con los interruptores con SF₆
El vacío posee una rigidez dieléctrica muy elevada, lo que permite reducir considerablemente las distancias entre contactos de los componentes. Esto da lugar a interruptores de menor tamaño y, por ende, a interruptores generales más compactos. Los ahorros de espacio son bastante significativos. Al comparar instalaciones de equipos de corte aislados en gas (GIS) que utilizan tecnología de vacío frente a las que emplean SF6, es habitual reducir el espacio necesario en aproximadamente un 30 % a un 40 %. Además, los mecanismos de accionamiento también son más ligeros, en algunos casos hasta un 60 %. Esto resulta especialmente ventajoso para subestaciones híbridas, ya que mejora la disposición de los conductores y acelera las labores de modernización. En las actualizaciones de redes eléctricas en Europa, muchas empresas han informado de un aumento del espacio disponible de aproximadamente un 35 % tras implementar la tecnología de vacío a la tensión estándar de 145 kV.
Fiabilidad a largo plazo con alto ciclo de servicio en alta tensión y escaso mantenimiento
Más de 20 000 operaciones < 0,001 % de tasa de fallos según la norma IEEE C37.09-2018
Los interruptores de vacío que están sellados herméticamente y no se ven afectados por su entorno pueden superar las 20 000 operaciones mecánicas, con tasas de fallo inferiores al 0,001 % según la norma IEEE C37.09-2018. Al no existir lugares donde pueda producirse fugas de gas ni sellos dinámicos, la rigidez dieléctrica se mantiene durante muchos años de servicio. Los datos de campo indican que muchas compañías eléctricas experimentan aproximadamente 30 años de servicio antes de reemplazar los componentes de 72,5 kV. Por el contrario, en los diseños más recientes, los operadores obtienen un ahorro de costos del orden del 40 %. La ausencia de piezas móviles y contactos deslizantes —que normalmente fallan durante operaciones repetidas de interrupción de fallas— es lo que mejora la fiabilidad de estos diseños.
Sin gestión de gas, sin problemas relacionados con la humedad ni subproductos tóxicos de descomposición: se eliminan los modos principales de fallo de los sistemas con SF₆.
Los sistemas de interrupción en vacío evitan tres puntos críticos de fallo del sistema de gas comprimido:
Sin gestión de gas: Sin gestión de SF₆, detección de fugas ni costosa gestión de gases de recuperación
Inmunidad a la humedad: Se evita la ruptura dieléctrica relacionada con la humedad, una causa principal de fallo de los interruptores de SF₆
No tóxico: Ausencia de subproductos metálicos fluorados contaminantes en el sistema de gas
Como resultado, estudios de caso de empresas eléctricas mostraron que los requisitos de mantenimiento disminuyeron un 75 %. Además, evitaron las multas promedio anuales por emisiones de SF₆ de 740 000 USD mencionadas en las auditorías de cumplimiento de la EPA. El diseño de contactos sólidos también evita la descomposición por erosión de los contactos que ocurre en los interruptores de gas tras unas pocas operaciones de cortocircuito
Rangos de tensión en evolución: Desde media tensión hasta alta tensión
Implementaciones
Interruptores de vacío estandarizados con tensiones asignadas (12–145 kV) e instalaciones para empresas eléctricas de 145 kV
Los interruptores de vacío han evolucionado recientemente para mejorar su utilidad en sistemas de media tensión y alta tensión de 145 kV. El desarrollo de materiales para los contactos, del vacío, de los sistemas de sellado y de la actuación electromagnética ha mejorado su aplicación en instalaciones de 145 kV. Tienen una capacidad de interrupción en servicio de hasta 40 kA (es decir, < 20 ms). Estos interruptores sustituyen soluciones de equipos primarios de mayores dimensiones en rangos ultraextensos de temperatura, desde -40 hasta +55 grados Celsius, y teniendo en cuenta la ausencia de gases perjudiciales para el medio ambiente.
Tecnología de interruptores de vacío para 245 kV: normas IEC 62271-100 y desarrollos de series de interruptores multicámara
Los fabricantes han estado comercializando tecnología al vacío para aplicaciones de 245 kV con diseños de interruptores en serie de múltiples interrupciones. En esencia, están ensamblando varios interruptores al vacío de modo que el voltaje se distribuya uniformemente entre múltiples dispositivos, en lugar de concentrarse en un solo punto. Recientemente, estos diseños han cumplido con la norma IEC 62271-100 para una capacidad de interrupción de 245 kV / 50 kA, lo que representa un avance significativo para la industria. Uno de los modelos prototipo está diseñado para interrumpir el flujo de corriente en 2 ciclos eléctricos, lo que lo hace un 40 % más rápido que los interruptores tradicionales de una sola interrupción. Además, este modelo emplea contactos de cobre-cromo (Cu/Cr)
que reducen la corriente de corte a < 3 A. Varios modelos prototipo iniciales se han integrado en la red eléctrica europea desde el año pasado. La mayoría de los expertos del sector consideran que, finalmente, la tecnología al vacío sustituirá al gas SF6 en aplicaciones de alta tensión donde las preocupaciones medioambientales son una prioridad.
Preguntas frecuentes
¿Cuál es el beneficio principal de utilizar interruptores de vacío en lugar de sistemas con SF6 y de interrupción en aire?
En los sistemas de alta tensión, los interruptores de vacío recuperan más rápidamente la rigidez dieléctrica, lo que permite una extinción más rápida del arco y una reducción de las sobretensiones. Esto significa que los interruptores de vacío pueden operar con un nivel de eficiencia mucho mayor que los demás sistemas.
¿Qué puede decirme sobre el diseño de los interruptores con SF6 que hace posible que los interruptores de vacío tengan un tamaño más reducido?
Debido a que los interruptores con SF6 tienen una menor rigidez dieléctrica, requieren huecos de contacto más grandes. Por este motivo, los interruptores de vacío necesitan aproximadamente un 30-40 % menos de espacio que los interruptores con SF6.
Los interruptores de vacío tienen una vida útil de más de 20 000 operaciones y, por lo tanto, presentan tasas de fallo muy bajas. Esta baja tasa de fallo significa que pueden funcionar con éxito durante aproximadamente 30 años. Esta baja tasa de fallo y alta tasa de éxito implica que los interruptores de vacío pueden tener costos aproximadamente un 40 % inferiores a los de las tecnologías anteriores, debido al menor mantenimiento y menos reparaciones requeridos.
¿Existe alguna ventaja ambiental al utilizar interruptores de vacío frente a los interruptores con SF6?
¡Por supuesto! Los interruptores de vacío eliminan la necesidad de sistemas de gestión de gases y también son inmunes a la humedad. Generan pocos o ningún subproducto peligroso. Por ello, los costos ambientales, así como los costos financieros asociados a los sistemas con SF6, son menores.