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INSTITUTO POLITECNICO NACIONAL

ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA MECÁNICA Y ELÉCTRICA

UNIDAD PROFESIONAL

“ADOLFO LÓPEZ MATEOS”

MODERNIZACIÓN DE INTERRUPTORES DE POTENCIA DE

400 KV EN LA SUBESTACIÓN ELÉCTRICA TEXCOCO

T E S I S QUE PARA OBTENER EL TÍTULO DE

INGENIERO ELECTRICISTA

P R E S E N T A:

RODRIGO BARAJAS ARREOLA

MEXICO, D.F. 2010

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RESUMEN

La cantidad de energía eléctrica que se consume en el país, es un indicador de su nivel económico, las fuentes para crear esa energía y el equipamiento para desarrollar las redes de transformación, transmisión y distribución cuando se realiza apropiadamente también permiten reconocer aspectos de la actualización tecnológica en su infraestructura industrial y de capital humano.

Operativamente, para que un Sistema Eléctrico conserve su estabilidad manteniendo la continuidad del servicio con calidad a todos sus consumidores, se requiere que los procesos productivos de Generación, Transmisión y Distribución cuenten con equipos actuales que cumplan y mantengan las exigencias de demanda de energía, caracterizada por la acelerada evolución tecnológica en los diferentes sectores de la economía.

En el caso de México la robustez se ha estado construyendo a través del enmallamiento de las redes eléctricas. Derivado de que los centros de Generación están lejanos en relación con los grandes núcleos de consumo que se encuentran en el centro de nuestro territorio, por lo anterior, su control operativo es más complejo en la conexión y desconexión de grandes bloques de energía; así también es más vulnerable ante agentes externos e internos que puedan provocar contingencias o disturbios, y para minimizar sus efectos, se requiere aislar adecuadamente el punto de falla, para lograr ese objetivo un equipo esencial es el interruptor, el cual es un elemento en un circuito eléctrico que tiene la responsabilidad del manejo del flujo de potencia y evitar en cierta medida que alteren los parámetros fundamentales del usuario final como son tensión y frecuencia.

Ante la importancia señalada que tiene el interruptor de potencia para un sistema interconectado, es elemental que este equipo primario cuente con los requerimientos de confiabilidad dentro de estándares competitivos, ya que por ser un equipo de gran importancia, se incorporan nuevas tecnologías tanto en su diseño como en sus procesos constructivos y materiales de manufactura, por lo que se hace imperativo el reemplazo de estos equipos cuando se encuentran cerca del término de su vida útil, cuando sus características nominales ya no son las adecuadas para operar dentro del sistema al que se encuentran interconectados, así como cuando sufren una avería grave al interrumpir una falla.

Con el propósito de hacer eficiente y seguro el desempeño de los interruptores, se recomienda mantener la población de interruptores con los debidos mantenimientos preventivos y correctivos y usar las tecnologías más recientes y adecuadas para operar en el punto de la red en donde se realicen proyectos nuevos.

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ÍNDICE

RESUMEN ---------------------------------------------------------------------------------- i

ÍNDICE ------------------------------------------------------------------------------------ ii

ÍNDICE DE FIGURAS ---------------------------------------------------------------------- vi

ÍNDICE DE TABLAS ------------------------------------------------------------------- viii

CAPÍTULO 1 INTRODUCCIÓN

1.1 INTRODUCIÓN ------------------------------------------------------------------------------- 1

1.2 ALCANCE DEL PROYECTO -------------------------------------------------------------------- 1

1.3 OBJETIVOS GENERALES --------------------------------------------------------------------- 2

1.4 OBJETIVOS PARTICULARES ----------------------------------------------------------------- 2

1.5 JUSTIFICACIÓN -------------------------------------------------------------------------------- 2

CAPÍTULO 2 ESTADO DEL ARTE DEL INTERRUPTOR DE POTENCIA

2.1 ANTECEDENTES DE LOS INTERRUPTORES DE POTENCIA ---------------------------------- 3

2.1.1 REPOTENCIACION --------------------------------------------------------------------------- 4

2.2 DEFINICIÓN DE INTERRUPTOR--------------------------------------------------------------- 5

2.3 CLASIFICACIÓN DE LOS APARATOS DE CORTE --------------------------------------------- 5

2.3.1 SECCIONADORES --------------------------------------------------------------------------- 5

2.3.2 INTERRUPTORES --------------------------------------------------------------------------- 6

2.3.3 INTERRUPTORES SECCIONADORES -------------------------------------------------------- 6

2.3.4 DISYUNTORES O INTERRUPTORES DE POTENCIA ---------------------------------------- 6

2.3.5 CONCEPTOS RELACIONADOS CON LOS INTERRRUPTORES ------------------------------ 8

2.4 TAREAS FUNDAMENTALES DE LOS APARATOS DE CORTE --------------------------------- 12

2.5 PRINCIPIO DE OPERACIÓN DEL INTERRUPTOR -------------------------------------------- 13

2.6 MÉTODOS DE EXTINCIÓN DEL ARCO ELÉCTRICO ------------------------------------------ 13

2.7 TÉCNICAS PARA AUMENTAR LA RESISTENCIA DEL ARCO --------------------------------- 14

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2.8 EL CIRCUITO PRINCIPAL------------------------------------------------ -------------------- 16

2.9 EXTINCIÓN EN CORRÍENTE ALTERNA ------------------------------------------------------- 17

2.10 PROCESO DE CIERRE ----------------------------------------------------------------------- 18

2.11 PROCESO DE APERTURA ------------------------------------------------------------------- 19

2.12 CARACTERÍSTICAS NOMINALES ----------------------------------------------------------- 20

2.13 TIPOS DE INTERRUPTORES ---------------------------------------------------------------- 20

2.14 MEDIOS DE EXTINCIÓN DEL ARCO ELECTRICO ------------------------------------------ 23

2.15 INTERRUPTORES DE SOPLO DE AIRE (NEUMATICO) ------------------------------------- 24

2.15.1 PRINCIPIO DE OPERACIÓN -------------------------------------------------------------- 24

2.16 INTERRUPTORES EN HEXAFLUORURO DE AZUFRE (SF6) -------------------------------- 25

2.16.1 HEXAFLUORURO DE AZUFRE ------------------------------------------------------------ 26

2.16.2 PRINCIPALES USOS DEL SF6 POR LA INDUSTRIA ELÉCTRICA ------------------------- 28

2.17 MECANISMOS DE OPERACIÓN ------------------------------------------------------------- 29

2.18 TENSIÓN TRANSITORIA DE RESTABLECIMIENTO ---------------------------------------- 34

2.19 CONDICIONES DE OPERACIÓN ------------------------------------------------------------ 35

2.19.1 INTERRUPCIÓN DE CARGAS CAPACITIVAS --------------------------------------------- 35

2.19.2 INTERRUPCIÓN DE CORRÍENTES INDUCTIVAS ----------------------------------------- 36

2.20 CRITERIOS DE APLICACIÓN --------------------------------------------------------------- 37

2.21 MANTENIMIENTO Y PRUEBAS A INTERRUPTORES DE POTENCIA ------------------------ 39

2.22 NORMATIVIDAD DE INTERRUPTORES DE POTENCIA ------------------------------------- 42

2.23 INVENTARIO DE INTERRUPTORES DE POTENCIA----------------------------------------- 43

2.24 INDICES DE FALLA-------------------------------------------------------------------------- 44

2.25 HISTORIALES DE FALLA-------------------------------------------------------------------- 47

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CAPÍTULO 3 APLICACIÓN DE INTERRUPTORES DE POTENCIA A REDES ELÉCTRICAS

3.1 INTERRUPTORES DE POTENCIA PARA ALTA TENSIÓN ------------------------------------- 49

3.2 VALORES NOMINALES ESTÁNDARES PARA INTERRUPTORES DE POTENCIA ------------- 51

3.3 VALORES NOMINALES PARA CICLOS DE CIERRE APERTURA ----------------------------- 51

3.4 DETERMINACIÓN DE VOLTAJES TRIFÁSICOS EQUIVALENTES Y VALORES DE INTERRUPCIÓN ----------------------------------------------------------------------------------- 52

CAPÍTULO 4 CARACTERÍSTICAS DE CAPACIDAD INTERRUPTIVA DE LA SE TEXCOCO DEBIDO A CAMBIOS DE TOPOLOGÍA DE LA RED

4.1 CARACTERÍSTICAS DE LA SE TEXCOCO CON RESPECTO A LA RED ELÉCTRICA NACIONAL ----------------------------------------------------------------------------------------------------- 54

4.2 NIVELES DE CORTO CIRCUITO EN LA SE TEXCOCO ANTERIORES ------------------------ 56

4.3 NIVELES DE CORTO CIRCUITO DE LA SE TEXCOCO ACTUALES Y FUTUROS ------------- 57

4.4 VALORES REQUERIDOS ---------------------------------------------------------------------- 58

CAPÍTULO V EL INTERRUPTOR DE POTENCIA BBC TIPO DLF Y EL INTERRUPTOR DE POTENCIA DE 400 kV Marca SIEMENS Tipo 3AP2-FI-420

5.1 EL INTERRUPTOR DE POTENCIA BBC TIPO DLF -------------------------------------------- 59

5.1.1 DESCRIPCIÓN ------------------------------------------------------------------------------ 59

5.1.2 VALORES FUNCIONALES ------------------------------------------------------------------ 61

5.1.3 DESCRIPCIÓN DE LOS ESQUEMAS Y DISPOSITIVOS DE CONTROL Y PROTECCIÓN DEL INTERRUPTOR BBC TIPO DLF -------------------------------------------------------------------- 62

5.2 EL INTERRUPTOR DE POTENCIA DE 400 kV Marca SIEMENS TIPO 3AP2 ---------------- 62

5.2.1 DESCRIPCIÓN ------------------------------------------------------------------------------ 62

5.2.2 VALORES FUNCIONALES ------------------------------------------------------------------ 63

5.2.3 DESCRIPCIÓN DE LOS ESQUEMAS Y DISPOSITIVOS DE CONTROL Y PROTECCIÓN DEL INTERRUPTOR SIEMENS Tipo 3AP2-FI-420 --------------------------------------------------- 65

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CAPÍTULO 6 CRITERIOS DE SELECCIÓN DE INTERRUPTORES EN LA SUBESTACIÓN ELÉCTRICA TEXCOCO BASADO EN CÁLCULOS POR CAMBIO DE CAPACIDAD INTERRUPTIVA Y NORMATIVIDAD

6.1 INTERRUPTORES DE C.A -------------------------------------------------------------------- 67

CAPÍTULO 7 ANÁLISIS DE RESULTADOS OBTENIDOS -------------------------- 71

CAPÍTULO 8 CONCLUSIONES ------------------------------------------------------- 74

REFERENCIAS-------------------------------------------------------------------------- 75

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ÍNDICE DE FIGURAS

Figura 2.1 Cuchillas AEG tipo pantógrafo -------------------------------------------------- 5

Figura 2.2 Partes constitutivas de un interruptor de potencia con capacitor de gradiente y resistencias de preinserción -------------------------------------------------------------- 7

Figura 2.3 Comportamiento del arco en c.a. (histéresis del arco) -------------------- 14

Figura 2.4 Elongación del arco eléctrico por la acción del empuje térmico --------- 14 Figura 2.5 Representación esquemática de la técnica de enfriamiento del arco en un interruptor neumático ------------------------------------------------------------------ 15

Figura 2.6 Representación esquemática de la división del arco. ---------------------- 15

Figura 2.7 Representación esquemática de la contricción del arco ------------------ 16

Figura 2.8 Contactos principales de un interruptor de SF6---------------------------- 17

Figura 2.9 Comportamiento de las tensiones durante el proceso de interrupción -- 18

Figura 2.10 Proceso de interrupción de la corriente: a) Extinción; b) Reencendido - 19

Figura 2.11 Interruptor de tanque muerto -------------------------------------------- 21

Figura 2.12 Interruptor tipo T hidráulico de tanque vivo, con medio de extinción de

SF6. -------------------------------------------------------------------------------------- 22

Figura 2. 13 Curvas de la tensión de ruptura de la rigidez dieléctrica entre dos contactos -- 23

Figura 2. 14 Disyuntores de soplo de aire ----------------------------------------------- 24

Figura 2. 15 Estructura química del SF6 ----------------------------------------------- 26

Fig. 2. 16 Variación de la presión del SF6 en función de la temperatura ------------- 27

Figura 2. 17 Interrupción de circuitos en alta tensión --------------------------------- 29 Figura 2. 18 Aislamiento de subestaciones encapsuladas en SF6 -------------------- 29 Figura 2. 19 Funcionamiento del mecanismo con resorte ------------------------------- 30

Figura 2. 20 Imagen de un mecanismo neumático ------------------------------------ 31

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Figura 2. 21 Mecanismo de accionamiento hidráulico ----------------------------------- 32

Figura 2. 22 Principio de maniobra de accionamiento de gas dinámico -------------- 34

Figura 2. 23 Circuito capacitivo ---------------------------------------------------------- 35

Figura 2. 24 Transformador o reactor monofásico ------------------------------------ 37 Figura 2. 25 Transitorio generado por el recierre de un interruptor en vacío --------- 39 Figura 2.26 Fallas por localizacion del interruptor de potencia en 400 kV en el año 2008--------------------------------------------------------------------------------------- 45

Figura 2.27 Falla de interruptores de potencia por marca en el año 2008------------ 45

Figura 2.28 Porcentaje de fallas a interruptores de potencia de 400kV por el tipo de origen de la falla-------------------------------------------------------------------------- 46

Figura 2.29 Porcentaje de falla del interruptor del año 2008 por sus componentes--46

Figura 2.30 Historial de falla de interruptores por su extinción del arco en 400 kV---47

Figura 2.31 Historial de porcentaje de falla de interruptores por su mecanismo en 400 kV----------------------------------------------------------------------------------------- 48

Figura 4.1 Diagrama unifilar de la Subestación Eléctrica Texcoco -------------------- 55

Figura 4.2 Anillo Metropolitano de 400 kV. ------------------------------------------- 56

Figura 5.1 Interruptor de potencia neumático BBC Tipo DLF ------------------------ 60

Figura 5.2 Interruptor de potencia en SF6, con mecanismo de accionamiento de resorte marca SIEMENS 3AP2-FI ------------------------------------------------------- 63

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ÍNDICE DE TABLAS

Tabla 2.1 Voltajes nominales y voltajes máximos de diseño (IEC) ------------------ 9

Tabla 2.2 Valores recomendados de elevación de temperatura ----------------------- 10

Tabla 2.3 Total de interruptores al mes de Diciembre del 2008----------------------- 43

Tabla 2.4 Crecimiento de interruptores de potencia en el año 2008------------------ 44

Tabla 2.5 Índices de falla nacionales del 2008----------------------------------------- 44

Tabla 3.1 Corrientes nominales de operación y corrientes de interrupción ---------- 50

Tabla 3.2 Tensiones nominales y máxima de diseño ---------------------------------- 51 Tabla 3.3 Tensiones nominales y valores de pruebas dieléctricas -------------------- 53 Tabla 4.1 Valores de Corriente de Corto Circuito de la Subestación Eléctrica Texcoco del año 2006, 2007 y 2008. ------------------------------------------------------------ 57

Tabla 5.1 Datos de placa del interruptor BBC Tipo DLF ------------------------------- 61

Tabla 5.2 Capacidad de aislamiento del interruptor SIEMENS 3AP2 – FI ------------ 64

Tabla 5.3 Datos eléctricos del interruptor SIEMENS 3AP2 –FI ------------------------ 65

Tabla 5.4 Tiempos de conmutación ----------------------------------------------------- 65

Tabla 6.1 Capacidades nominales preferida para interruptores al aire libre (la base de la capacidad nominal es la corriente simétrica) --------------------------------------- 69

Diagrama 1 Procedimiento para el reemplazo de un interruptor de potencia ---------73

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CAPÍTULO 1 INTRODUCCIÓN

1.1 INTRODUCCIÓN

El Sistema Eléctrico Nacional está integrado principalmente por las Centrales Generadoras, Líneas de Transmisión y Subestaciones de Potencia, estas últimas desempeñan una función muy importante ya que son los nodos de recepción y envío de los paquetes de energía los cuales se distribuyen y regulan a pequeños y grandes consumidores ubicados en muchos casos a grandes distancias.

Los interruptores de potencia que forman parte del Sistema Interconectado, tienen la misión de conectar y desconectar equipos primarios de la red, así como también tiene la función de aislar a los mismos cuando se encuentren en condiciones anormales y de falla.

Considerando la problemática del Sistema Interconectado Nacional que enfrentan las compañías suministradoras por el crecimiento de la red, y los requerimientos de confiabilidad dentro de estándares competitivos, se hace necesario que todos los Equipos Eléctricos Primarios que la conforman y los sistemas de protecciones, control y comunicaciones, operen y se mantengan en óptimas condiciones de servicio.

Por la importancia que tienen los Interruptores de potencia, constantemente se incorporan nuevas tecnologías tanto en su diseño como en sus procesos constructivos y materiales de manufactura, además el crecimiento de demanda en puntos específicos del sistema se ha incrementado provocando esto un incremento en los niveles de corriente de corto circuito, por lo que se hace necesaria la modernización de los interruptores que ya no cumplen con los requisitos de capacidad y calidad, para que el sistema opere con la suficiente confiabilidad y seguridad.

Por ello en este trabajo se mencionan los criterios principales que se deben considerar para la elección correcta de un interruptor de potencia, analizando de forma mas concreta la elección por aumento de capacidad interruptiva.

1.2 ALCANCE DEL PROYECTO

Este proyecto presenta el análisis realizado durante el proceso de cambio de interruptores de potencia para incrementar la capacidad interruptiva (repotenciación), el caso analizado es la repotenciación de los interruptores de 400kV en la Subestación Eléctrica Texcoco de la CFE. Esta subestación tiene una importancia relevante, ya que está conectada al anillo de 400 kV, que alimenta a la Zona Metropolitana, el Valle de México y los estados de Puebla, Tlaxcala, Morelos e Hidalgo.

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1.3 OBJETIVOS GENERALES

Analizar el marco teórico y práctico para realizar el cambio de capacidad interruptiva en interruptores de potencia de 400kV en la Subestación Eléctrica Texcoco, y probar la eficiencia de su aplicación así como también analizar los beneficios que se obtienen con el cambio de estos interruptores de potencia.

1.4 OBJETIVOS PARTICULARES

Comparar las características interruptivas y justificar el cambio de interruptor de potencia de 400kV, marca BBC Tipo DLF, con otro de la Marca SIEMENS Tipo 3AP2-FI.

1.5 JUSTIFICACIÓN

La aplicación de interruptores de potencia en los sistemas eléctricos de potencia (SEP), es esencial para una operación flexible y confiable de la red eléctrica nacional lo cual es necesario para la continuidad del servicio. La aplicación de cada tipo de interruptor depende en gran medida de las condiciones de operación del punto de la red donde se va a instalar, por lo tanto influyen varios factores para su diseño como son el nivel de tensión, tipo de dispositivos primarios conectados, capacidad interruptiva, etc. Aunque existen bastantes tipos de interruptores, sin duda los más utilizados son los de medio de extinción SF6 y en vacío. En este trabajo el interruptor considerado es del tipo de SF6 en 400 kV. El interruptor de potencia es el elemento encargado de interrumpir la corriente eléctrica en condiciones normales o de falla y en ambos casos debe de cumplir con características especiales para lograr su objetivo, esto es, su diseño, funcionamiento, aplicación, etc. que en mucho depende del lugar y condiciones en que se vaya a operar.

Los interruptores de potencia son diseñados para trabajar bajo ciertos límites de capacidad interruptiva por lo que con el paso de los años y el incremento en el consumo de energía eléctrica dicha capacidad interruptiva se aumenta de manera considerable, ante está consideración se debe considerar un cambio de interruptores de potencia de mayor capacidad interruptiva, con el fin de asegurar que en condiciones normales o de falla el interruptor opere correctamente. Sin embargo debido al costo tan elevado de cada interruptor, se debe realizar un estudio detallado de las características necesarias de los mismos de tal manera que se logre un óptimo costo – beneficio. Lo anterior será el objeto de estudio de este trabajo.

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CAPÍTULO 2 ESTADO DEL ARTE DEL INTERRUPTOR DE POTENCIA

2.1 ANTECEDENTES DE LOS INTERRUPTORES DE POTENCIA

Desde el momento en el que un flujo de la corriente eléctrica se estableció por primera vez, los efectos producidos por los mismos fueron notorios, por lo que hubo la necesidad de crear un dispositivo que fuera capaz de detener y reanudar el flujo de la corriente eléctrica. Fundamentalmente existen dos formas por las que el flujo de la corriente puede ser detenido, una es reducir el potencial de conducción a cero y la otra es físicamente, colocando un par de contactos creando una brecha entre los conductores que transportan la corriente eléctrica.

El interruptor de potencia es un elemento de un sistema eléctrico de potencia fundamental, ya que en caso de falla o condiciones normales de operación de ser capaz de interrumpir la corriente que fluye sobre el mismo. Este dispositivo debe de funcionar en diversas condiciones de operación, lo que implica una gran cantidad de configuraciones del interruptor – línea o equipo primario, por ello desde que el interruptor comenzó a utilizarse, siempre ha sido un elemento de preocupación, debido a que hay que prever su funcionamiento en cualquier condición. Por lo tanto en la puesta en servicio de un interruptor de potencia hay que considerar todos los factores, como son: capacidad interruptiva, el medio de interrupción, mecanismo de operación, etc. Debido a que el diseño de los interruptores depende de cada fabricante, hay que tener presentes todos los resultados de las pruebas que se les aplicaron y los resultados que se obtuvieron para garantizar un óptimo desempeño de los interruptores.

Cuando un interruptor abre un circuito con carga o por despejar una falla es inevitable la presencia del arco eléctrico, lo que sin duda es una condición desfavorable, en la operación de interruptores. Durante la presencia del arco se mantiene la circulación de corriente en el circuito de potencia. Las características del arco dependen, entre otras cosas de:

• La naturaleza y presión del medio ambiente donde se induce.

• La presencia de agentes ionizantes o des ionizantes.

• La tensión entre los contactos y su variación en el tiempo.

• La forma, separación y estructura química de los contactos.

• La forma y composición de la cámara de interrupción.

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• Sistema de extinción del arco.

La generación del arco se debe a la ionización del medio entre los contactos, haciéndolo conductor, lo que facilita la circulación de corriente. La presencia de iones se origina por la descomposición de las moléculas que conforman el medio entre los contactos, producto de colisiones entre éstas y los electrones aportados por la corriente.

2.1.1 REPOTENCIACIÓN

Se entiende como repotenciación, al incremento en una subestación existente, tanto en los equipos como en los sistemas existentes.

La ampliación se define como el incremento en circuitos (alimentadores) y los equipos relacionados.

La factibilidad para repotenciar o ampliar una subestación eléctrica está determinada normalmente por el costo, como un primer factor cuando se compara entre la construcción de una nueva subestación y la repotenciación o ampliación de una subestación existente.

Cuando se considera la repotenciación del equipo, sólo se incrementa la capacidad, el nivel de voltaje permanece igual, normalmente la localización de los circuitos entrantes y salientes es la misma, aún cuando se pueden cambiar los calibres de conductor para incrementar su ampacidad.

La repotenciación del equipo primario contempla los siguientes elementos:

• Al transformador de potencia

• Interruptores

• Transformadores de corriente

• Trampas de onda

• Transformadores de potencial tipo capacitivo

• El sistema de barras (buses)

• Cuchillas desconectadoras

• Sistemas de canalizaciones

• Sistemas auxiliares

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• Protección y medición

2.2 DEFINICIÓN

El interruptor es un dispositivo, cuya función es asegurar el flujo continuo de corriente en una red eléctrica bajo condiciones normales de operación e interrumpirlo cuando se presentan condiciones anormales o fallas. Se utiliza para controlar el flujo de corriente y como medio de protección para el personal y el equipo. Se conecta en serie con el circuito que se va a proteger. 2.3 CLASIFICACIÓN DE LOS APARATOS DE CORTE 2.3.1 SECCIONADORES

Son los dispositivos utilizados para abrir o cerrar un circuito cuando no es recorrido por una corriente y destinado específicamente para aislar una red bajo tensión, una máquina eléctrica, un conjunto de equipos o la sección de una línea, ya sea para fines de mantenimiento o reparación [4].

En el caso de una subestación un tipo de seccionador son las cuchillas de línea, de bus o de transferencia, en la fig. 2.1 se muestran unas cuchillas de línea tipo pantógrafo.

Figura 2.1 Cuchillas AEG tipo pantógrafo

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2.3.2 INTERRUPTORES

Es el equipo encargado de interrumpir y conectar circuitos en condiciones normales de carga nominal o en caso de falla.

2.3.3 INTERRUPTORES SECCIONADORES

Es aquel tipo de interruptor que en posición de apertura, responden a las condiciones impuestas por los seccionadores (combinación de ambos) [4].

2.3.4 DISYUNTORES O INTERRUPTORES DE POTENCIA

La función de un disyuntor (interruptor) consiste en conectar e interrumpir, una o repetidas veces, en condiciones normales y anormales de trabajo, diferentes circuitos eléctricos (Ver fig.2.2). Al establecer o deshacer el contacto de los elementos de interrupción, hay una etapa transitoria de arqueo entre los contactos, regida por las descargas eléctricas que ocurren entre ellos. Si la corriente está pasando por un circuito, antes de que esté sea abierto por el interruptor en el instante de separación se forma un arco entre los contactos y la corriente puede continuar por el circuito hasta que cese la descarga. La descarga en los disyuntores de corriente alterna, que generalmente se efectúa en forma de arco, ocurre en dos formas. Cuando se están separando los contactos, el arqueo es posible aún cuando la fem del circuito se encuentre considerablemente abajo del voltaje mínimo de la interrupción, esto a causa del gran incremento local del voltaje debido a la auto inductancia del circuito. En el segundo método el arco se extingue cada vez que la corriente pasa por cero y puede restablecerse solamente si el voltaje transitorio de recuperación entre los electrodos ya separados, que continúan separándose, alcanza un valor lo suficientemente alto, conocido como voltaje de interrupción.

La capacidad nominal de un disyuntor se refiere a los valores característicos que definen las condiciones de trabajo para las cuales está diseñado y construido. Los interruptores deben poder transmitir en forma continúa la corriente de plena carga sin una elevación excesiva de temperatura y deben de soportar las fuerzas electrodinámicas. Además, deben de estar en posibilidad de interrumpir, en condiciones de seguridad, las corrientes de falla. Las capacidades de las diferentes clases de interruptores aparecen en las diversas especificaciones de estándares nacionales e internacionales, como lo es el IEC, IEEE, normas de CFE y LFC, etc.

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Figura 2.2 Partes constitutivas de un interruptor de potencia con capacitor de gradiente y resistencias de preinserción [14].

A continuación se mencionan las partes constitutivas del interruptor, de acuerdo a la fig. 2.2:

1. Tapa de resistencias de preinserción 2. Cámara de resistencias de preinserción 3. Discos metálicos de soporte de resistencias 4. Calotas de contactos de resistencias 5. Barra de accionamiento contacto móvil de resistencia de preinserción 6. Distanciador de Al de resistencias 7. Cilindro de cerámica 8. Contacto móvil de resistencia de preinserción 9. Cilindros de las resistencias de preinserción 10. Resorte de paquete de resistencias 11. Cámaras de extinción 12. Cilindro envolvente de fibra de vidrio 13. Capacitores de graduación 14. Tubo de la bomba de soplado

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15. Contacto móvil principal 16. Tobera aislante 17. Contacto fijo principal 18. Tapa de contacto principal 19. Filtro 20. Brida guía de barra aislada 21. Barra de maniobra aislada 22. Columna soporte 23. Brida se sujeción 24. Barra metálica de accionamiento 25. Cilindro del sistema neumático 26. Anillo de retención 27. Pistón de accionamiento neumático 28. Tuerca - seguro de fijador de pistón 29. Indicador de posición

2.3.5 CONCEPTOS RELACIONADOS CON LOS INTERRRUPTORES

Un interruptor de C.A. tiene los siguientes conceptos de capacidad nominal:

1. Tensión nominal, corriente nominal

La tensión nominal es el voltaje eficaz (R.M.S.) de operación del sistema entre fases en volts a la frecuencia nominal.

En condiciones normales de operación, el voltaje no es constante en ningún punto de la red, por lo se debe garantizar la correcta operación del interruptor al voltaje nominal máximo o voltaje máximo de diseño.

El voltaje máximo de diseño de un interruptor es el máximo valor eficaz (R.M.S.) del voltaje entre fases para el cual el interruptor está diseñado y representa el límite superior del voltaje del sistema al cual el interruptor puede operar en forma continua. En la tabla 2.1 se pueden observar los valores nominales y máximos de diseño según la IEC.

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TABLA 2.1 VOLTAJES NOMINALES Y VOLTAJES MAXIMOS DE DISEÑO (IEC)

VOLTAJE NOMINAL (KV),

VOLTAJE MAXIMO DE DISEÑO (KV)

2.2

2.2

4.16

4.16

13.8

15.5

23.0

24.6

34.5

38.0

69.0

72.5

115.0

123.0

138.0

145.0

161.0

170.0

230.0

245.0

400.0

420.0

La corriente nominal de un interruptor, es el valor eficaz (R.M.S.) de la corriente expresada en amperes, para el cual está diseñado y que es capaz de conducir continuamente a la frecuencia nominal, sin exceder los valores recomendados de elevación de temperatura, mostrados en la tabla 2.2

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Tabla 2.2 Valores recomendados de elevación de temperatura

COMPONENTE TEMPERATURA MÁXIMA

CONTACTOS Temperatura

total (°C)

Elevación de temperatura con temperatura ambiente menor a 40°C

(°C)

En aire 75 35 En SF6 105 65

Cobre sin recubrimiento

En aceite 80 40 En aire (notas 1.2) 105 65

En SF6 105 65

De plata, niquelados o plateados

En aceite (nota 2) 90 50 En aire 90 50 En SF6 90 50

Estañado

En aceite 90 50 CONEXIONES

En aire 90 50 En SF6 115 75

Cobre

En aceite 100 60 En aire 115 75 En SF6 115 75

De plata, niquelados o plateados

En aceite 100 60 En aire 105 65 En SF6 105 65

Estañado

En aceite 100 60 TERMINALES EXTERNAS A CONDUCTORES Sin recubrimiento 90 50 Plata, níquel o estañadas 105 65 PARTES METALICAS QUE ACTÚAN COMO RESORTE Ver nota 4 Ver nota 4 MATERIALES AISLANTES (nota 5) Clase Y (materiales no impregnados) 90 50 Clase A (materiales impregnados o sumergidos en aceite) 105 65 Clase E 120 80 Clase B 130 90 Clase F 155 115 Clase H 180 140

Base aceite 100 60 Sintético en aire 120 80

Esmalte

Sintético en aceite 100 60

METAL O MATERIAL AISLANTE EN CONTACTO CON ACEITE, EXCEPTO CONTACTOS 100 60

ACEITE AISLANTE PARA INTERRUPTORES 90 50

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NOTAS DE LA TABLA 2.2

1) Cuando se aplica una elevación de temperatura de 65°C se debe asegurar que no se ha causado daño a los materiales aislantes adyacentes.

2) La calidad de la cubierta de plata será de tal clase que después de las pruebas de cortocircuito y mecánicas, todavía tenga una capa de plata en los puntos de contacto y debe considerarse como “NO CUBIERTO DE PLATA".

3) Los valores de temperatura y de elevación de temperatura son válidos para conductores con o sin recubrimiento.

4) La temperatura no debe alcanzar un valor donde se afecte la elasticidad del material (reblandecimiento). Para cobre puro el límite de temperatura es de 75°C.

5) Se utilizan las siguientes clases de materiales aislantes:

CLASE "Y" (90 °C) Algodón, seda y papel sin impregnación.

CLASE “A” (105 °C) Algodón, seda y papel impregnados, cubiertos o sumergidos en un líquido dieléctrico como el aceite.

CLASE “E” (120 °C) Barnices de terminación e impregnación, compuestos de poliuretano, compuestos epóxicos y resinas.

CLASE “B” (130 °C) Mica, fibra de vidrio, asbesto, etc., o combinación de ellos, construidos con varias sustancias orgánicas.

CLASE “F”(155 °C) Mica, fibra de vidrio construidos con varias substancias de otros materiales no necesariamente inorgánicos.

CLASE “H” (180 °C) Nomex, Mylar laminado, mica, fibra de vidrio, barniz, resilam, DMD 180, Kapton, Pyromid, Pyroglas y

Pyrolam.

2. Frecuencia nominal

La frecuencia nominal de un interruptor es la frecuencia de la red para la que el interruptor fue diseñado y a la que corresponden las otras características nominales. En nuestro país a partir de 1976 se normalizo 60 hertz.

3. Capacidad nominal de interrupción, simétrica y asimétrica.

Se define como la máxima intensidad de corriente, medida en el instante en que se separan los contactos, que puede ser interrumpida por el interruptor con una tensión de recuperación de frecuencia fundamental.

La capacidad nominal queda definida por dos valores:

La capacidad interruptiva simétrica, Expresada por el valor eficaz (rms) de la componente de corriente alterna de la corriente total interrumpida por el interruptor. Y se obtiene con la sig. Formula:

La capacidad interruptiva asimétrica o total, expresada por el valor eficaz (rms) de la corriente total, que comprende las componentes de corriente alterna y corriente directa, interrumpida por el interruptor.

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4. Tensión transitoria de restablecimiento (TTR)

Es el límite de la TTR prevista de los circuitos que el interruptor debe poder interrumpir en caso de un cortocircuito en sus terminales. La forma de onda de las TTR varía de acuerdo con la configuración de los circuitos.

5. Corriente nominal de tiempo corto o máxima duración del corto circuito

Es el tiempo máximo de sostenimiento de la corriente de corto circuito para el cual fue diseñado el interruptor.

6. Nivel Básico de Aislamiento al Impulso (NBAI)

Este requerimiento está basado en el hecho de que las sobretensiones producidas por rayos son una de las causas principales de salidas del sistema y de fallas en el equipo de potencia. La magnitud y la forma de la onda del impulso dependen del nivel de aislamiento de la línea y de la distancia entre el punto de origen del impulso y el punto de la línea que está bajo consideración.

7. Secuencia nominal de operación.

La secuencia nominal de operación de un interruptor de potencia consiste en una serie de operaciones de apertura (desconexión) y cierre (conexión) o ambas a la vez. Los tiempos asociados a las maniobras son de gran importancia, tanto desde el punto de estabilidad del sistema, como desde de las condiciones por calentamiento severo de los contactos. Mientras más tarde el interruptor en despejar la corriente de falla, mayor será el daño que la misma causará al sistema o así mismo.

2.4 TAREAS FUNDAMENTALES DE LOS APARATOS DE CORTE

Se requiere que cualquier aparato de corte, sin considerar su aplicación, efectué cuatro operaciones fundamentales:

1. Cerrado, debe de ser un conductor ideal

2. Abierto, debe ser un aislador ideal

3. Cerrado, debe de ser capaz de interrumpir la corriente a la que fue diseñado, rápidamente y en cualquier instante, sin producir sobretensiones peligrosas que afecten al sistema

4. Abierto debe de ser capaz de cerrar rápidamente y en cualquier instante, bajo corrientes de falla, sin soldar los contactos por las altas temperaturas

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2.5 PRINCIPIO DE OPERACIÓN DEL INTERRUPTOR

La operación de los contactos de un interruptor se realiza por medios mecánicos.

Cuando los contactos se separan se forma un entrehierro entre ellos, constituido de un medio dieléctrico e interruptivo (aire, gas SF6, vacío, aceite). En este medio se forma el arco eléctrico, a través del cual la corriente fluye de un contacto a otro. En este entrehierro es donde el circuito es vulnerable a ser interrumpido, ya que la corriente abandona su trayectoria original (contactos) para formar un arco en el medio aislante e interruptivo, cuando se logra disminuir la conductividad de esta trayectoria hasta extinguir el arco, la corriente deja de fluir.

Por lo tanto, la interrupción de un circuito eléctrico comprende dos pasos consecutivos:

En el primero se consigue intercalar un entrehierro a la trayectoria original, y el segundo, consiste en eliminar la conductividad del entrehierro. El principio fundamental de este proceso es la velocidad de restablecimiento del medio dieléctrico en el entrehierro. Para un entrehierro con un medio aislante gaseoso, el gas es semiconductor a altas temperaturas y en función de su enfriamiento se vuelve aislante. 2.6 MÉTODOS DE EXTINCIÓN DEL ARCO ELÉCTRICO

En términos generales, se conocen tres métodos de extinción del arco eléctrico en los interruptores: • Interrupción por alta resistencia. En este caso, el objetivo es incrementar la resistencia del arco en función del tiempo y reducir la corriente hasta lograr la extinción. La desventaja principal de este método de interrupción es la gran cantidad de energía disipada, por lo tanto, sólo se usa en interruptores de baja y mediana tensión, así como en interruptores de corriente directa [4]. • Interrupción por baja resistencia. Este método se emplea para la interrupción de arcos de corriente alterna aprovechando que el arco se extingue por sí solo, 120 veces por segundo en un sistema de 60 Hz, cada vez que la corriente cruza por cero. Este fenómeno se representa en la Fig. 2.3 y es más conocido como HISTÉRESIS DEL ARCO.

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Figura 2.3 Comportamiento del arco en c.a. (histéresis del arco)

• Interrupción en vacío

El vació tiene dos propiedades sobresalientes: 1).- Rigidez dieléctrica mayor que cualquier otro medio, y 2).- Cuando se interrumpe un circuito de CA mediante la separación de contactos en vació, la interrupción ocurre en el primer cruce por cero de la onda de corriente, presentándose inmediatamente un incremento de rigidez dieléctrica a través de los contactos, mucho mayor a la del interruptores en aire, gas SF6 o aceite.

2.7 TÉCNICAS PARA AUMENTAR LA RESISTENCIA DEL ARCO

Para incrementar la resistencia del arco se emplean las técnicas siguientes: Elongación del arco. Como la resistencia del arco es aproximadamente proporcional a su longitud, alargando el arco su resistencia aumenta, ver Fig. 2.4

Figura 2.4 Elongación del arco eléctrico por la acción del empuje térmico

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Enfriamiento del arco. La tensión requerida para mantener la ionización aumenta cuando la temperatura disminuye, por lo que enfriándolo su resistencia aumenta, ver Fig. 2.5

Figura 2.5 Representación esquemática de la técnica de enfriamiento del arco en un

interruptor neumático División del arco. Cuando se establece un arco, existe una tensión apreciable entre las superficies de los contactos. Si el arco se divide en arcos pequeños, en serie, se reduce la tensión de la columna, ver Fig. 2.6

Figura 2.6 Representación esquemática de la división del arco.

Contricción del arco. Esta técnica consiste en confinar el arco en un canal muy angosto, aumentando su resistencia hasta lograr su extinción, ver Fig. 2.7

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Figura 2.7 Representación esquemática de la contricción del arco

2.8 EL CIRCUITO PRINCIPAL

El circuito principal, comprende los elementos que están energizados a la tensión nominal y básicamente son: contactos de potencia, contactos auxiliares de arqueo, contactos deslizantes y terminales.

Todo éste conjunto está contenido dentro de un recipiente que los mantiene ensamblados. En el caso de los Interruptores tanque vivo este contenedor es de porcelana (llamado cámara interruptiva); y en el caso de los de Tanque muerto, están contenidos dentro de un tubo de material aislante, el cual a su vez está alojado dentro de un tanque metálico aterrizado.

Los interruptores en vacío, carecen de contactos auxiliares de arqueo.

Los componentes del circuito principal, complementados con algunos elementos adicionales como las toberas para orientar el flujo del medió de enfriamiento y aislante, el cilindro de soplado, entre otros, conforman la cámara interruptiva, para proporcionar un medio donde, se desarrolle y se controle la dinámica del arco eléctrico, durante la apertura, fenómeno necesario para interrumpir cualquier corriente, sin que se originen sobretensiones y llevarlo a la condición de aislador. En la Fig. 2.8 se muestran los contactos principales de un interruptor en SF6 [5].

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Figura 2.8 Contactos principales de un interruptor de SF6 [14]

Contacto fijoContacto fijo Contacto móvilContacto móvil

Partes cámara de extinciónPartes cámara de extinción

Un elemento importante a considerar es el aislamiento interno y a tierra. El aislamiento interno, es el medio aislante que existe entre los contactos cuando están separados, en posición de abiertos, que puede ser aire, aceite, gas SF6 o vacío. El aislamiento interno, es el responsable de asegurarse que las dos partes de una red o los sistemas interconectados a través del Interruptor permanezcan separados mientras el mismo se encuentre abierto.

El aislamiento a tierra, es el medio aislante que existe entre el circuito principal y la referencia de tierra. Dicho aislamiento, además de evitar la fuga de energía a tierra, permite que el personal esté expuesto a niveles de tensiones no soportables por el ser humano.

2.9 EXTINCIÓN EN CORRÍENTE ALTERNA La extinción del arco eléctrico en corriente alterna está relacionada con el cruce por cero de la corriente. La recuperación de la rigidez dieléctrica del entrehierro, inicia en el momento en que el arco se extingue (cuando la corriente cruza por cero). La rigidez crece linealmente en función del tiempo, hasta alcanzar su estabilización.

Si la tensión en el interruptor (Usenωt) en algún instante excede a la tensión de recuperación Ur, ocurre un reencendido. En caso contrario, si la tensión de recuperación Ur se incrementa más rápidamente que la tensión en el interruptor, no se produce el reencendido. Este fenómeno se ilustra en la Fig. 2.9.

El comportamiento anterior varía si se considera un circuito inductivo o capacitivo. Estos circuitos son muy importantes, porque los sistemas de transmisión de energía

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suelen tener reactores en derivación o bancos de capacitores en serie. Además, la desconexión de un transformador operando en vacío representa una inductancia.

En los circuitos inductivos o capacitivos, el cruce por cero de la corriente coincide, según el caso, con el valor máximo de la tensión. En este tipo de circuitos es común que se presenten reencendidos. Esto se debe al extinguirse el arco al cruzar la corriente por cero, la tensión del circuito excede a la tensión de recuperación.

Estos circuitos tienen un comportamiento oscilatorio por la presencia simultánea de inductancias y capacitancias. La tensión transitoria tiende a oscilar y puede alcanzar a la tensión de recuperación. Sin embargo, la mayoría de las veces se logra la de-ionización del entrehierro y, por lo tanto, la interrupción exitosa [5].

Figura 2.9 Comportamiento de las tensiones durante el proceso de interrupción

2.10 PROCESO DE CIERRE

Los interruptores deben cerrar e interrumpir los circuitos, esto puede ocasionar ciertos problemas, particularmente, si el interruptor cierra en condiciones de falla. Cuando el interruptor está abierto, la tensión en sus terminales es la tensión del sistema, a esta tensión se le denomina “tensión de cierre”. Al valor máximo de la corriente que fluye al cerrar el interruptor se le llama “corriente de cierre”. La “potencia de cierre” es el producto de la tensión de cierre por la corriente de cierre. El tiempo de cierre de un interruptor es el que transcurre desde el momento de energizar la bobina de cierre hasta la conexión física de los contactos principales. Durante el cierre, existen esfuerzos eléctricos entre los contactos a medida que éstos se acercan, estableciéndose arcos de preencendido que ocasionan desgaste adicional de los contactos.

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El caso más crítico se presenta cuando el interruptor cierra en condiciones de falla de máxima asimetría [5].

2.11 PROCESO DE APERTURA

Si estando cerrado el interruptor se desea interrumpir el circuito, se libera el mecanismo de apertura el cual permite que los contactos principales se separen. La separación de los contactos genera el arco eléctrico.

La potencia de corto circuito que el interruptor es capaz de interrumpir, está dada por el producto de la corriente de corto circuito simétrica y la tensión de restablecimiento, un ciclo después de la interrupción. El tiempo de interrupción está dado desde el momento en que se energiza la bobina de apertura hasta la extinción del arco eléctrico. Este tiempo consta de 2 partes: el tiempo propio desde la energización de la bobina de apertura hasta la separación física de contactos y el tiempo de arco y se expresa en milisegundos o en ciclos.

La interrupción de la corriente consiste en convertir un espacio altamente ionizado en el entrehierro en un buen aislante con el objeto de que la corriente no fluya a través de él. A medida que la corriente senoidal se aproxima al cruce por cero, el medio aislante ionizado pierde rápidamente temperatura con lo que recupera sus condiciones aislantes. En esta última condición aparece la tensión del sistema en las terminales del interruptor. La velocidad de transición del medio aislante depende de los parámetros eléctricos de la red.

Al interrumpirse la corriente, la razón de crecimiento de la TTR y la rigidez dieléctrica varían. Si la TTR tiene una razón de crecimiento mayor a la recuperación de la rigidez dieléctrica, se presenta un "reencendido" del arco. Si la recuperación dieléctrica es más rápida que la razón de crecimiento de la TTR, se tendrá una interrupción exitosa, ver Fig. 2.10 [5].

Figura 2.10 Proceso de interrupción de la corriente: a) Extinción; b) Reencendido

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2.12 CARACTERÍSTICAS NOMINALES

Las características nominales de un interruptor de potencia están establecidas en las normas nacionales e internacionales aplicables. Estos parámetros nominales se consideran los límites mínimos de funcionamiento que el dispositivo debe cumplir. Tales límites se aplican solamente dentro de condiciones de operación específicas.

Para este caso se consideraron las características nominales más importantes contenidas en las especificaciones CFE-V5000-01, que están inscritas en la placa de datos de los interruptores de potencia y otras características, de valor conceptual importante, mencionadas en las normas IEC, ANSI y en las Normas NMX [5].

Las características nominales más importantes de un interruptor son las siguientes:

a) Tensión nominal y tensión máxima de diseño. b) Corriente nominal. c) Frecuencia nominal. d) Presión nominal de operación del gas para maniobra e interrupción. e) Capacidad interruptiva nominal. f) Capacidad de cierre o de conexión nominal. g) Corriente nominal de tiempo corto. h) Secuencia de operación nominal.

Asimismo, existen otros parámetros de importancia que pueden ser tomados como nominales para cada equipo. Entre estos parámetros se tienen:

a) Tensión transitoria de restablecimiento (TTR) nominal por falla en terminales. b) Corriente capacitiva nominal de interrupción. c) Nivel básico se aislamiento al impulso (NBAI). d) Niveles de contaminación.

2.13 TIPOS DE INTERRUPTORES

Los interruptores se pueden clasificar de acuerdo al: nivel de tensión, lugar de instalación, características externas de diseño, mecanismo de accionamiento y método y medio usado para la interrupción de la corriente. Tipos de interruptores por nivel de tensión a) Interruptores de baja tensión, son los diseñados para usarse en tensiones de hasta 1000 volts b) Interruptores de alta tensión, son los diseñados para usarse en tensiones superiores a 1000 volts.

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Cada uno de esos grupos puede subdividirse. Para el caso de los interruptores de alta tensión estos se subdividen en interruptores de 123 kV y mayores e interruptores de 72.5 kV y menores. Frecuentemente, estos dos grupos son relacionados como interruptores para transmisión e interruptores de distribución respectivamente.

Interruptores por lugar de instalación

Los interruptores de alta tensión pueden ser usados en instalaciones tipo interior y tipo exterior o intemperie. La única diferencia entre los interruptores tipo interior y tipo exterior es la envolvente externa o gabinete.

Interruptores por características externas de diseño

Desde el punto de vista de su diseño físico estructural, los interruptores para intemperie pueden ser clasificados como interruptores de tanque muerto e interruptores de tanque vivo. Los interruptores de tanque muerto están definidos por las normas ANSI como un dispositivo de desconexión en el cual la envolvente o tanque está sólidamente aterrizada y aloja las cámaras interruptivas y el medio aislante en la parte inferior del interruptor. En la figura 2.11 se observa un interruptor de taque muerto.

Figura 2.11 Interruptor de tanque muerto

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El interruptor de tanque vivo está definido como un dispositivo de desconexión, en el cual las cámaras interruptivas se encuentran soportadas en columnas aislantes y éstas quedan aislando la parte energizada del potencial a tierra [5]. En la figura 2.12 se observa un interruptor de tanque vivo.

Figura 2.12 Interruptor tipo T hidráulico de tanque vivo, con medio de extinción de SF6.

Interruptores por mecanismo de accionamiento

Los principales mecanismos de accionamiento utilizados en interruptores son los siguientes:

- Mecanismo de accionamiento a resorte - Mecanismo de accionamiento neumático - Mecanismo de accionamiento hidráulico - Accionamiento con gas dinámico

Interruptores por método y tipo de medio de interrupción

• De aire, la energía del arco se disipa por enfriamiento de las placas cerámicas • De aceite, la energía del arco se disipa en la descomposición del propio aceite • De soplo de aire, la energía del arco se disipa aplicando una fuerte inyección de

aire comprimido • De gas SF6 , la energía del arco se disipa en el gas.

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• De vacío, la energía del arco es disipada al mantener en el estado de vapor los materiales metálicos provenientes de los contactos.

2.14 MEDIOS DE EXTINCIÓN DEL ARCO ELÈCTRICO

El medio de extinción es aquel elemento del interruptor donde se desarrolla la dinámica del arco eléctrico, que se presenta al separarse mecánicamente los contactos.

En este caso se dará prioridad a los interruptores de hexafluoruro de azufre (SF6) y de soplo de aire, que son los dos tipos de interruptores que están presentes en este proyecto, ver Fig. 2.13

Figura 2.13 Curvas de la tensión de ruptura de la rigidez dieléctrica entre dos contactos

Estas curvas dan una indicación indirecta de los niveles de tensión en que se pueden emplear las diversas técnicas, en particular se observa que el vacío tiene características óptimas hasta una cierta distancia entre contactos después de la cual no se incrementa la resistencia a la tensión de impulso.

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2.15 INTERRUPTORES DE SOPLO DE AIRE (NEUMATICO)

En estos se requiere de la utilización de energía exterior para soplar y apagar el arco. Todos los interruptores de soplo de aire siguen el principio de separar sus contactos en una corriente de aire que se establece al abrir una válvula de soplado. El arco generalmente se sitúa con rapidez en un lugar central a través de una boquilla en la que se mantiene a una longitud fija y se sujeta a un arrastre máximo que ejerce la corriente de aire. Los arreglos varían, pero pueden agruparse en tres tipos, como se ilustra en la Fig. 2.14

Figura 2.14 Disyuntores de soplo de aire

En los interruptores de soplo de aire o neumáticos, además de que utilizan la propiedad que tiene el aire comprimido para extinguir el arco al expandirse, también se le emplea para el mando de ellos mismos. El corte del arco por aire comprimido puede utilizarse para todas las tensiones y para todas las potencias de ruptura.

2.15.1 PRINCIPIO DE OPERACIÓN

En todos los diseños de interruptores de soplo de aire el proceso de interrupción se inicia con la formación del arco entre dos contactos, y simultáneamente con la apertura de una válvula neumática que permite un flujo turbulento de aire a alta presión que alarga la columna del arco, sometiéndola a los efectos de enfriamiento del flujo de aire.

El aire comprimido arrastra al arco a través de la tobera y ésta ayuda a expulsar el aire caliente y los productos del arqueo, hacia la atmósfera.

La extinción se efectúa cuando se presenta el paso de la corriente por cero y cuando el flujo de aire comprimido aumenta rápidamente para restablecer la rigidez dieléctrica entre los contactos y soportar el voltaje de restablecimiento. El crecimiento de la resistencia dieléctrica es rápido y la presión del aire tan alta, que el entre hierro final,

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ocasionado por la interposición de la capa aislante de aire entre los contactos, puede ser pequeño, lo que reduce el tamaño del dispositivo. La energía suministrada para la extinción del arco se obtiene del aire a alta presión y es independiente de la corriente que se va a interrumpir. [5]

2.16 INTERRUPTORES EN HEXAFLUORURO DE AZUFRE (SF6)

En este tipo de interruptores también se utiliza la energía exterior para soplar y apagar el arco. A partir de 1975, se instalan en nuestro país los primeros interruptores que utilizan el gas SF6 como medio de aislamiento y extintor de arcos eléctricos. Hasta la fecha, este es el único gas que posee las propiedades físicas, químicas y dieléctricas favorables para la extinción del arco eléctrico, motivo por el cual se analizan brevemente sus propiedades más sobresalientes. Los interruptores en hexafluoruro de azufre, se pueden dividir de la siguiente manera:

INTERRUPTORES EN GAS SF6 DE UNA PRESION (AUTOSOPLADO)

Como su nombre lo indica, estos interruptores utilizan una sola presión (por lo general de tres a siete bars). Algunas modalidades constructivas emplean con gran acierto el movimiento del contacto móvil para crear una presión elevada y momentánea durante el proceso de la maniobra. El interruptor en SF6, tipo monopresión, se emplea satisfactoriamente hasta tensiones de 525 KV. En las subestaciones encapsuladas se le usa en forma exclusiva.

INTERRUPTOR EN SF6 DE DOS PRESIONES

Estos interruptores consisten básicamente en un aislamiento a base de SF6, el cual garantiza el aislamiento contra tierra de las partes energizadas, con una presión comprendida entre 3 y 6 Bars, y de una presión superior (hasta 18 y 22 Bars), la cual se utiliza en la cámara de extinción para combatir el arco eléctrico. Desde el punto de vista del funcionamiento, los interruptores a dos presiones se pueden considerar aparatos de tipo neumático que trabajan en ciclo cerrado. En efecto, el gas a alta presión, que en cada operación se expande en el tanque de baja presión, se reutiliza enviándolo nuevamente al tanque de alta presión por medio de un compresor. Algunas modalidades constructivas tienen a los tres polos conectados al mismo tanque. Un solo compresor sirve para aspirar el gas desde los tanques de baja presión, comprimirlo y llevarlo a los tres tanques de alta presión.

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INTERRUPTORES EN GAS SF6 (CON CAMARA RUPTORA DE AUTOCOMPRESIÓN DINÁMICA)

Este tipo de interruptor en gas SF6 es la tecnología más reciente, la diferencia básica en comparación con los diseños anteriores es que en estos tienen la particularidad de retraer el contacto fijo de arqueo en la fase final del movimiento de apertura. Y al cierre regresar a su posición original.

2.16.1. HEXAFLUORURO DE AZUFRE

El SF6 es un compuesto químico sintético muy estable, de alta densidad, no tóxico, no inflamable, considerado como no biodegradable, con excelentes propiedades dieléctricas. Presenta la siguiente estructura química mostrada en la Fig. 2.15

Figura 2.15 Estructura química del SF6

Sintetizado por primera vez en 1890, Se obtiene a partir de una reacción electrolítica: S + 3 F2 → SF6 + 262 kcal Subproductos de reacción: Fluoruros de azufre de valencia inferior, tales como: SF4, SF2, S2F2, S2F10 [1]

PROPIEDADES FISICAS

El SF6 es aproximadamente cinco veces más pesado que el aire (6.139Kg/m3) en condiciones normales o estándar (760 torr, 20º C). El gas SF6 es inodoro, incoloro, no tóxico e incombustible y pasa directamente de la fase sólida a la gaseosa; no existe en forma líquida sino es bajo presión. En las subestaciones encapsuladas y en los interruptores de potencia hay que tomar en cuenta la temperatura ambiente, ya que el gas sometido a presión (hasta 18 bars) este puede licuarse a partir de 10 C sobre cero.

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Puesto que su temperatura crítica es de -45.6 °C, puede ser licuado por compresión a temperatura ambiente. En la Fig. 2.16 se observa el efecto que ejerce la temperatura sobre la presión del SF6. [5]

Fig. 2.16 Variación de la presión del SF6 en función de la temperatura

PROPIEDADES QUÍMICAS El SF6 es químicamente estable hasta los 2000 °C, condición bajo la cual no reacciona con metales, plásticos u otros materiales, normalmente utilizados en la construcción de los interruptores. A la temperatura del arco eléctrico, el gas SF6 se descompone en fluoruros de azufre inferior, pero el grado de descomposición es muy pequeño, que generalmente se recombinan para formar SF6. Durante el paso del arco, se producen fluoruros metálicos, los cuales se depositan como polvo blanco, pero debido a que poseen una gran rigidez dieléctrica, no causan perturbación desde el punto de vista eléctrico. Los productos de descomposición, reaccionan con el vapor de agua y el oxígeno, produciendo ácidos que reaccionan con los componentes de la cámara, por ejemplo con los contactos de cobre-tungsteno, con el teflón de las toberas y empaquetaduras. [5] PROPIEDADES DIELÉCTRICAS La rigidez dieléctrica del SF6, a presión atmosférica es más del doble de la del aire, la rigidez dieléctrica es un 30% menor que la del aceite a presión atmosférica, pero aumenta rápidamente con el incremento de la presión. La rigidez dieléctrica del SF6 es aproximadamente un 15% mayor que la del aceite. El Hexafluoruro de azufre es un gas electronegativo, es decir, tiene la propiedad de capturar o absorber electrones y formar iones negativos. En vista de la poca

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movilidad, es decir, energía cinética insignificante de estos iones negativos, se puede afirmar que los electrones capturados dejan de participar en el proceso de ionización del medio. Es esta cualidad excepcional del SF6, la que le otorga sus excelentes propiedades dieléctricas y también su gran poder de extinción del arco, ya que su carácter electronegativo se mantiene aun a temperaturas muy elevadas (varios miles de °K).También el SF6 tiene una característica térmica favorable que es función de la temperatura, es decir, la conductividad térmica es baja, entre 3000 °K y 7000 °K, mientras que es alta debajo de 3000 °K. [5]

2.16.2 PRINCIPALES USOS DEL SF6 POR LA INDUSTRIA ELÉCTRICA

Es un gas inerte químicamente estable, no tóxico, no inflamable, incoloro e inodoro, se utiliza como aislamiento en equipos como interruptores (volumen mínimo) y subestaciones aisladas en gas SF6 (gran volumen).

Otra función es la de extinguir el arco eléctrico durante la interrupción de corrientes (involucra volumen mínimo de SF6). Este proceso se efectúa esporádicamente y en periodos de corta duración (aprox. 50 milisegundos). Los procesos de llenado, vaciado y tratamiento, del gas SF6 se hacen mediante equipos especiales que evitan fugas de gas al medio ambiente. Además del aire atmosférico el Hexafluoruro es preferido por la industria eléctrica para el aislamiento eléctrico y para la extinción del arco eléctrico y la interrupción de corriente en equipo usado en la transmisión y distribución de la energía eléctrica.

Generalmente existen cuatro tipos de equipos que utilizan SF6 para su aislamiento y/o propósito de interrupción:

Interruptores de circuitos aislados en gas y equipo para interrupción de corriente, transformadores aislados en gas, líneas de transmisión aisladas en gas y subestaciones encapsuladas en SF6. Se estima que para estas aplicaciones la industria utiliza cerca del 80% del gas producido mundialmente, siendo la aplicación en interrupción de circuitos la que lleva el mayor porcentaje.

Este ofrece un ahorro considerable en el uso de terreno, estéticamente aceptable, tiene emisiones de ruido muy bajas y permite la instalación de subestaciones en ares pobladas cercanas a la carga por ser de un tamaño pequeño.

En las Fig. 2.17 y 2.18 se muestran dos ejemplos de la utilización de gas SF6. [4]

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Figura 2.17 Interrupción de circuitos en alta tensión

Figura 2.18 Aislamiento de subestaciones encapsuladas en SF6

2.17 MECANISMOS DE OPERACIÓN

Mecanismo de accionamiento de un interruptor, se considera al conjunto de elementos electromecánicos que permiten almacenar y disponer energía, útil para transmitir un movimiento, logrando posiciones finales de los contactos de potencia, ya sea abierto o cerrados dentro de valores de tiempo de maniobra especificados, que favorezcan la operación correcta del equipo.

A continuación se relacionan los actualmente conocidos:

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Resorte

El accionamiento a base de resorte de un interruptor de potencia contiene los siguientes elementos Fig. 2.19:

• Fuente de energía, a través de motor eléctrico en sistema reductor de velocidad formado por corona y tornillo sin fin.

• Acumulador de energía a base de resortes. • Dos mecanismos, uno de cierre y otro de apertura. que retienen la energía

proporcionada por los resortes automáticamente y la liberan a voluntad, bien por control local manual, ó bien a distancia, eléctricamente mediante electroimanes.

• Elemento amortiguador, hidráulico generalmente que después de las maniobras del interruptor absorbe la energía sobrante, producto de la inercia de los resortes.

• Elemento de protección y control mecánico que impiden maniobras falsas, tales como maniobra de cierre durante el período de tensado de los resortes de mando, límites de carrera de tensado de los resortes, inversión de giro de la manivela cuando se desea tensar el resorte manualmente.

• También cuenta con elementos que automáticamente obligan de nuevo al tensado del resorte (por motor) inmediatamente después del cierre del interruptor, dejando el mando dispuesto en pocos segundos para realizar una maniobra de cierre.

Figura 2.19 Funcionamiento del mecanismo con resorte [14]

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Neumático

Las partes principales de un sistema de accionamiento neumático son las siguientes:

• Fuente de energía formada por un grupo motor-compresor. • Depósito de almacenamiento de aire comprimido. • Conjunto principal de accionamiento: válvulas de accionamiento, válvulas de

conexión, válvulas de desconexión, émbolo de accionamiento, etc • Electroimanes de conexión y desconexión. • Elementos de control y protección para la operación integral del interruptor. • Elementos para señalización de posición del interruptor.

Los mecanismos neumáticos son los usados comúnmente en interruptores de soplo de aire, debido a que usan aire comprimido como medio aislante e interruptivo. Esto no significa que este tipo de mecanismos se usen sólo en este tipo de interruptores, ya que también se usan para operar interruptores en aceite y en SF6. Esos mecanismos generalmente abren y cierran neumáticamente y en algunos casos hay solamente una conexión neumática entre mecanismos y contactos en lugar de conexiones sólidas. La Fig. 2.20 muestra un ejemplo típico de un mecanismo neumático, el cual usa un pistón para mover el varillaje de cierre y para cargar un juego de resortes de apertura. Estos mecanismos tienen un tanque para almacenar aire a alta presión que es utilizado para realizar al menos 5 operaciones sin necesidad de recargarlo entre operaciones.

Figura 2.20 Imagen de un mecanismo neumático

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Para el cierre de u contactos se aplica aire a alta presión en el pistón a través de na válvula de tres vías. El pistón se mueve hacia arriba transmitiendo la fuerza de cierre a través del varillaje del mecanismo.

La apertura del interruptor se realiza a través de la energización de un solenoide de disparo que libera el trinquete de disparo provocando la descarga de los resortes de apertura que hacen que los contactos se abran.

Hidráulico

Un sistema de accionamiento hidráulico consta de los siguientes elementos:

• Cilindro de doble efecto diferencial (2), en el cual el lado de menor superficie está de manera permanente en comunicación con el acumulador de energía (1).

• Fuente de energía compuesta por grupo moto-bomba hidráulica (4). • Acumulador de energía (1). • Válvula principal de conmutación (3) para control de la posición del interruptor. • Conjunto de electroimanes de cierre y disparo Y1, Y2 / Y3. • Recipiente en aceite (5). • Sistema de control y protección (6) del accionamiento hidráulico, así como para la

integridad misma del interruptor. • Señalizadores ópticos de la posición del interruptor.

Se representa un circuito básico de accionamiento hidráulico en la Fig. 2.21

Figura 2.21 Mecanismo de accionamiento hidráulico

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FUNCIONAMIENTO

Del acumulador hidráulico (1) parte una tubería de aceite sometida permanentemente a presión, que conduce al cilindro de accionamiento (2).

En el lado de desconexión del émbolo (2) existe siempre presión y en el lado conexión también se establece una presión conmutando la válvula principal (3); la fuerza ejercida para la conexión resulta de la diferencia entre las superficies sometidas a presión. La superficie del lado desconexión es menor que la del lado conexión, siendo la diferencia entre ambas igual a la sección del vástago del émbolo. Por tal razón, el interruptor está siempre dispuesto para abrir. Poco antes de alcanzar cada posición final se amortigua, por vía hidráulica, el movimiento de maniobra. Estos sistemas se proveen mediante válvulas esféricas auxiliares, de mando y principal, para asegurarse que durante el movimiento de maniobra ocurra cualquier interrupción o discontinuidad de las operaciones de conexión y desconexión.

Gas dinámico

Cada polo del interruptor tiene un mecanismo de maniobra integrado, impulsado por gas SF6.El SF6 de alta presión de la cámara de interrupción se usa para aislar partes bajo tensión, para extinguir el arco y para maniobrar el interruptor.

La energía de impulsión, que es necesaria para mover los contactos, es producida por la diferencia de presión entre los compartimentos de alta presión-cámara de interrupción (HP) y baja presión-compartimento del accionamiento (LP).

El SF6 “HP” se usa para mover un pistón que está conectado mecánica y axialmente al contacto móvil del interruptor. Dos grupos de válvulas están diseñadas para permitir el flujo del SF6 presurizado sobre una de las caras del pistón de manera que realiza las maniobras de abrir o cerrar el interruptor.

La caída de presión que aparece en la cámara de interrupción después de cada maniobra es compensada por un compresor hermético, que recolecta el SF6 en el compartimento de LP y lo introduce en el compartimento de HP para restablecer la presión nominal.

Normalmente los volúmenes y presiones están proyectados para permitir, aún sin la contribución del compresor, un ciclo de maniobra acumulado A – CA – CA.

El conmutador de densidad alojado dentro del compartimento de LP está conectado a aquel de HP y tiene la tarea de controlar la presión del SF6 en la cámara de interrupción y de comandar el compresor.

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Está equipado con 3 contactos:

1. Contactor de arranque y paro del compresor 2. Contacto de bloqueo de cierre por baja presión (LP) 3. Contacto de bloqueo de apertura por baja presión (LP)

Un densímetro es suficiente para controlar los compartimentos de polos (HP y LP) a partir del hecho que debe examinar una cantidad fija de gas introducido en el polo. Ver Fig. 2.22

Figura 2.22 Principio de maniobra de accionamiento de gas dinámico [14]

2.18 TENSIÓN TRANSITORIA DE RESTABLECIMIENTO

Inmediatamente después de la extinción del arco, se presenta una tensión entre los contactos, que trata de restablecer la conducción. A esta tensión se le ha designado como tensión de restablecimiento, y por ser de duración extremadamente corta, del orden de fracciones de ciclo, también se le denomina transitoria.

La TTR puede tener dos componentes, una de frecuencia fundamental y otra de alta frecuencia. La primera causada por un desplazamiento del neutro virtual del sistema trifásico de vectores, después de la extinción del primer polo, que la efectúa bajo condiciones de falla trifásica no aterrizada; la segunda, por un fenómeno oscilatorio de alta frecuencia que se presenta entre los parámetros capacitivo e inductivo de los circuitos y equipos que intervienen en el proceso de interrupción [4].

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En ciertos casos, particularmente en las redes de tensión superior a 100 kV y para corrientes de cortocircuito relativamente pequeñas, comparadas con la corriente de cortocircuito máxima en el punto considerado, la TTR comprende un periodo inicial en el que la velocidad de crecimiento es elevada, y un periodo posterior durante el cual la velocidad de crecimiento es más reducida.

En otros casos, particularmente en las redes de tensión inferiores a 100 kV o bien en las redes de tensión superiores a 100 kV para corrientes de cortocircuito relativamente pequeñas respecto a la corriente de cortocircuito máxima, la TTR tiene una forma semejante a la de una oscilación amortiguada de una sola frecuencia.

2.19 CONDICIONES DE OPERACIÓN

2.19.1 INTERRUPCIÓN DE CARGAS CAPACITIVAS

Interrumpir este tipo de cargas puede ser difícil para el interruptor, por lo general estas cargas son generadas por: La carga de una línea larga o cable en vacío o la corriente de carga estática de un banco de capacitores, teniendo en la mayoría de los casos un valor máximo de unos cientos de amperes.

La corriente capacitiva es esencialmente interrumpida muy cerca del paso por cero de la misma, enseguida de que se separan los contactos del interruptor. Después de la interrupción, a la frecuencia nominal del voltaje alterno sobre el lado de la fuente, aparece en el interruptor una tensión de restablecimiento entre los contactos del mismo, el cual uno y medio ciclo después de la interrupción puede alcanzar valores de 2 a 3 veces el voltaje pico nominal de línea a tierra. Un rompimiento del dieléctrico entre los contactos durante este intervalo puede producir sobre voltajes transitorios.

El circuito controlado por el interruptor puede ser representado como en la Fig. 2.23

Figura 2.23 Circuito capacitivo

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A la apertura, la tensión de restablecimiento entre contactos es causada por la diferencia entre los voltajes de la fuente y la capacitancia desconectada.

La tensión de restablecimiento durante la apertura puede alcanzar valores de pico muy altos, sobre:

TTR= VC ⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛

323

Siendo V el voltaje trifásico del Banco de Capacitores antes de la interrupción y C el valor del capacitor. El valor pico es obtenido medio ciclo después a la frecuencia de operación y puede exceder la rigidez dieléctrica entre los contactos, dando origen a un reencendido. Estos reencendidos son muy peligrosos porque pueden originar una serie de interrupciones y reigniciones con algunos incrementos de voltaje sobre el sistema en el lado carga hasta provocar la falla del aislamiento; cabe hacer mención que estas sobretensiones pueden limitarse mediante apartarrayos seleccionados adecuadamente. [5]

2.19.2 INTERRUPCIÓN DE CORRÍENTES INDUCTIVAS

El término de corrientes inductivas incluye todas las corrientes que no exceden los rangos de corriente que los interruptores absorben por carga inductiva, la cual puede causar el fenómeno conocido como corriente de interrupción prematura (chopping) y reigniciones múltiples durante la interrupción, que consecuentemente darán picos de sobre voltajes y elevadas frecuencias. Los mejores ejemplos conocidos de pequeñas corrientes inductivas son las siguientes:

Corrientes magnetizantes de transformadores sin carga. Corrientes de carga de motores de inducción y reactores shunt (Por ejemplo en

reactores para la compensación de reactivos en el sistema) Corrientes de carga de transformadores que alimentan a reactores shunt.

Este grupo no incluye por otra parte, las corrientes de cortocircuito limitados por transformadores que tienen valores más bajos que la corriente normal de cortocircuito. Estas corrientes no causan altos sobrevoltajes como resultado de las corrientes de interrupción. [5]

En un sistema de alta tensión, se utilizan reactores para la compensación de reactivos en el sistema. Estos se conectan al devanado en delta del terciario de los autotransformadores, mediante interruptores de alta tensión. Los bancos de reactores se operan, en algunas ocasiones, hasta dos o tres veces al día, por lo que los interruptores para esta aplicación deben de operar en forma satisfactoria un gran número de operaciones.

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Cuando un interruptor abre un circuito con corriente magnetizante de un transformador sin carga o con corriente (absorbida) de un motor de inducción en vacío, puede ocasionar sobretensiones extremadamente altas en el lado carga del interruptor. Estas sobretensiones pueden generar descargas que, si ocurren sobre los aislamientos, pueden debilitarlos o provocar falla permanente. La falla permanente se puede manifestar en maniobras de cierre subsecuentes.

En la Fig. 2.24 se muestra el circuito equivalente de un transformador monofásico o un reactor.

Figura 2.24 Transformador o reactor monofásico

2.20 CRITERIOS DE APLICACIÓN

La función principal del interruptor es la de llevar la corriente nominal de carga, interrumpir el circuito con esta misma corriente y con la de corto circuito. Se deben de tener consideradas las características especiales que requieren algunas condiciones de interrupción del sistema, ya que pueden ser criticas en el momento de apertura con falla.

Se deben de tener presentes los requerimientos futuros del sistema, a fin de prevenir la sobrecarga de los circuitos, así como las Icc. El interruptor debe de ser diseñado a la frecuencia del sistema y el tiempo de interrupción debe de ser adecuado para proteger al equipo y mantener la estabilidad del sistema.

El lugar en donde se localizara el interruptor y donde operara, se deben de tomar en cuenta para una selección adecuada del interruptor.

La altitud, temperatura ambiente, contaminación, servicio, accesibilidad y algunos otros factores no menos importantes, sirven para seleccionar el interruptor con los requerimientos correctos.

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CORRIENTES DE FALLA

El cálculo detallado de corrientes de falla nos dará el alcance del interruptor, los sistemas de potencia están sujetos a los siguientes tipos de falla:

Falla trifásica no aterrizada. Falla trifásica aterrizada Falla fase a fase no aterrizada. Falla fase a fase aterrizada. Falla de fase a tierra

La falla trifásica no aterrizada crea la condición más severa para el interruptor. La primera fase del interruptor bajo esta condición tiene frecuencia nominal y la tensión de restablecimiento es del 87% del voltaje de fase a fase. Esto es únicamente el 58% para la falla trifásica a tierra. La falla de fase tierra puede producir una gran corriente de falla. Esto se debe considerar en la aplicación del interruptor. Para propósitos de aplicación, suponemos que el cortocircuito en el sistema puede producir el máximo desplazamiento de la onda de corriente.

Esto puede ocasionar un factor importante cuando el cálculo ha sido hecho para una falla cercana al elemento más grande de generación. El interruptor es diseñado para interrumpir en forma satisfactoria la relación de corriente asimétrica a corriente simétrica.

SOBRE VOLTAJES POR MANIOBRA

A los voltajes de transmisión de 362 KV y mayores, los sobre voltajes por maniobra generados por la energización y la reenergización a alta velocidad de líneas de transmisión en vacío por interruptores, introduce un factor importante en el diseño del aislamiento del sistema, los cuales son limitados por la inserción de resistencias que se intercalan en serie con la línea(Y en paralelo con la cámara) aproximadamente entre 9 y 12 milisegundos antes del cierre de sus contactos principales del interruptor.

La Fig. 2.25 puede de una manera muy simplificada mostrar cómo se genera una sobretensión por maniobra por el recierre de un interruptor en una línea de transmisión en vacío.

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Figura 2.25 Transitorio generado por el recierre de un interruptor en vacío

Otros efectos pueden tener lugar en la peor condición; la línea puede tener una carga mayor que 1.0 pu. al momento de energizarse y sucede el efecto Ferranti en líneas largas y el acoplamiento capacitivo de las fases adyacentes.

2.21 MANTENIMIENTO A INTERRUPTORES DE POTENCIA

El objeto del mantenimiento, es el de asegurar la máxima confiabilidad, disponibilidad y rentabilidad del interruptor para que cumpla con sus funciones operativas nominales, previniendo o corrigiendo cuando sea necesario, condiciones que pueden poner en riesgo la operación del mismo, del equipo o instalación al cual está asociado, así como a los equipos e instalaciones vecinas. Este mantenimiento será efectivo cuando el equipo cumpla con los requisitos de calidad desde su selección, especificación y construcción, complementándose con una adecuada puesta en servicio. En los interruptores principalmente se realizan 3 tipos de mantenimiento: el preventivo, el correctivo y el predictivo.

MANTENIMIENTO PREVENTIVO.

El objeto del mantenimiento, es el de asegurar la máxima confiabilidad, disponibilidad y rentabilidad del interruptor para que cumpla con sus funciones operativas nominales, previniendo o corrigiendo cuando sea necesario, condiciones que pueden poner en riesgo la operación del mismo, del equipo o instalación al cual está asociado, así como a los equipos e instalaciones vecinas. Este mantenimiento será efectivo cuando el equipo

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cumpla con los requisitos de calidad desde su selección, especificación y construcción, complementándose con una adecuada puesta en servicio.

MANTENIMIENTO CORRECTIVO.

Este mantenimiento no suele programarse y su principal característica es que suele presentarse cuando:

• El equipo ha estado sujeto a un mantenimiento preventivo incorrecto o faltante y por lo tanto dicho equipo pierde una o más funciones operativas que requieren restablecerse mediante la aplicación de este mantenimiento emergente.

• El equipo durante su operación fue sometido a esfuerzos que rebasaron sus capacidades nominales que originaron la pérdida de su confiabilidad o en determinado momento la falla de algún componente o función, y por lo tanto requiere se aplique una acción correctiva para restablecer su operatividad.

• El equipo está operando bajo una condición insegura que se ha determinado mediante experiencias que se tienen con equipos o condiciones similares recientes y que por lo tanto requieren de recursos no programados y en ocasiones emergentes para solventar los riesgos latentes en la instalación.

MANTENIMIENTO PREDICTIVO.

También conocido como sintomático, tiene como fundamento las ventajas que pueden ofrecer los dos tipos de mantenimiento anteriores, usando el análisis y el control de inspecciones y pruebas periódicas, así como el historial de mantenimiento correctivo que se haya realizado.

Este tipo de mantenimiento requiere de pruebas más avanzadas para determinar con certeza el estado del interruptor, con el fin de lograr una correcta planeación y efectuar estrictamente los trabajos de manera oportuna y garantizar el buen funcionamiento del equipo.

Principalmente en un interruptor se llevan a cabo 4 pruebas:

• Resistencia de aislamiento

• Factor de potencia

• Resistencia de contactos

• Simultaneidad de contactos

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RESISTENCIA DE AISLAMIENTO

El objetivo de esta prueba es verificar el grado de humedad o deterioro de los aislamientos que conforman el interruptor. La resistencia de aislamiento se define como la resistencia (en Mega ohms) que ofrece un aislamiento al aplicarle un voltaje de corriente directa durante un tiempo dado, medido a partir de la aplicación del mismo.

Esta prueba en este caso se le realizara a interruptores multicamara, que son aquel grupo de interruptores que están constituido de 2 o más cámaras de interrupción y este tipo de construcción de interruptores es muy utilizado en interruptores de SF6, aire, gas y poco volumen de aceite.

La prueba de resistencia de aislamiento en este tipo de interruptores, nos pueden determinar básicamente condiciones de contaminación exterior en columnas soportes y columnas de mando además, condiciones de elementos aislantes que algunos fabricantes incluyen en estas columnas como son varillas de mando aislante, columnas huecas con aceite, gas o aire.

INTERPRETACION DE RESULTADOS

En estos interruptores las lecturas de resistencia de aislamiento que se obtienen, por lo general son muy altas y constantes sin tener absorción ni polarización por estar el aislamiento constituido en su mayor parte de porcelana; una lectura baja es indicación de una falla grande en estos aislamientos.

FACTOR DE POTENCIA

El objetivo de la prueba es el de determinar el grado de humedad o deterioro de los aislamientos por disipación de energía (pérdidas dieléctricas). Esta prueba se recomienda para detectar contaminación, envejecimiento y degradación de los aislamientos, siendo una prueba más reveladora que la de resistencia de aislamiento.

El principio fundamental de la prueba es la medición del coseno del ángulo entre el vector de la corriente de carga y el vector del voltaje aplicado, obteniendo los valores directos de estos factores a través de los volt amperes de carga y el vector de voltaje aplicado, obteniendo así los valores directos de estos factores a través de la medición de volt-amperes y las pérdidas en watts del aislamiento bajo prueba. RESISTENCIA DE CONTACTOS Los puntos de contacto metálico entre dos superficies, a través de las cuales fluye una corriente eléctrica son muy pequeños en relación con la superficie total. Una vez cerrados los contactos después del proceso de conexión, se debe procurar que la unión se mantenga por un tiempo prolongado de cierre con una resistencia de paso lo más

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reducida posible, puesto que todo contacto constituye una forma de calor que limita su capacidad de carga.

Esta prueba es aplicable tanto a interruptores de alta tensión como a interruptores de baja tensión, y más que nada esta prueba nos indica el estado en el que se encuentran los contactos.

Los valores recomendados oscilan entre los 10 μΩ y los 50 μΩ, y si los valores obtenidos en las pruebas están dentro de estos rangos, nos indica que los contactos están en buenas condiciones.

SIMULTANEIDAD DE CONTACTOS

El objetivo de estas pruebas es la determinación de los tiempos de operación de interruptores de potencia, en sus diferentes formas de maniobra (apertura, cierre, disparo libre, recierre), así como la verificación del sincronismo y tiempos de operación en sus polos.

La prueba de simultaneidad de contactos es aplicable exclusivamente a interruptores de potencia de alta tensión en todos sus tipos y marcas.

Esto permite comprobar si esas características se mantienen durante su operación dentro de los límites establecidos por las normas correspondientes, de no ser así, efectuar ajustes al interruptor para recuperar sus valores originales.

La prueba de simultaneidad de contactos es aplicada exclusivamente a interruptores de alta tensión en todos sus tipos y marcas.

2.22 NORMATIVIDAD DE INTERRUPTORES DE POTENCIA

En este proyecto se utilizaran principalmente las siguientes normas que a continuación se mencionan, el uso de ellas se irá referenciando y mencionando a lo largo del proyecto.

Las normas ayudaran a comprender mejor algunos conceptos sobre interruptores de potencia.

‐ INTERRUPTORES DE POTENCIA DE 72,5 kV A 420 kV , NRF-022-CFE-2006 ‐ IEEE APLICATION GUIDE FOR TRANSIENT RECOVERY VOLTAGE FOR AC HIGH '

VOLTAGE CIRCUIT BREAKERS RATED ON A SYMMETRICAL CURRENT BASIS IEEE Std C37.011-1994

‐ IEC 62271-100. HIGH VOLTAGE SWITCHGEAR AND CONTROL GEAR. PART 100: HIGH VOLTAGE ALTERNATING CURRENT CIRCUIT BREAKERS

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2.23 INVENTARIO DE INTERRUPTORES DE POTENCIA

A continuación se realiza un análisis estadístico que nos permitirá ver de una manera más clara los principales motivos del cambio del interruptor BBC. La información fue obtenida de la revista “Síntesis de fallas a interruptores de potencia 2008”, Publicado por la Subdirección de Transmisión, la Coordinación de Transmisión y la Gerencia de Subestaciones de la CFE, México 2008 [9].

El análisis es basado en la información que proporcionan las 9 gerencias de transmisión a nivel nacional, con la finalidad de proporcionar el comportamiento operativo de los interruptores de potencia, cubriendo los aspectos de mantenimiento y las fallas más comunes, con el propósito de difundir la información necesaria para la modernización de interruptores con obsolescencia tecnológica o por que se ha rebasado su capacidad en el punto de la red en donde fueron instalados, dando a conocer únicamente los interruptores en 400 kV.

En el año 2008 el número de interruptores instalados en transmisión al cierre de Diciembre fue de 6653 equipos en sus diferentes marcas y tensiones, instalados en las 9 Gerencias Regionales de Transmisión, incrementándose con respecto al año 2007 en 1.7%, lo que equivale a 114 equipos nuevos. En la Tabla 2.3 se observan el total de interruptores.

Tabla 2.3 Total de interruptores al mes de Diciembre del 2008

TENSIÓN (kV)

No. INTERRUPTORES

400 1049 230 1914

161 - 115 2062 69 - 13.8 1628

Total 6653

En la tabla 2.4 Se muestra el incremento de interruptores de 400 kV de Enero del 2008 a Diciembre del 2008.

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Tabla 2.4 Crecimiento de interruptores de potencia en el año 2008

400 kV GERENCIA DE TRANSMISIÓN Enero Diciembre

BAJA CALIFORNIA NOROESTE 9 10 NORTE 12 21 NORESTE 191 198 OCCIDENTE 259 267 CENTRAL 216 220 ORIENTE 258 259 SURESTE 72 74 PENINSULAR

TOTAL 1,017 1,049

2.24 INDICES DE FALLA

Para determinar el índice de falla de interruptores, se utilizo la siguiente fórmula:

En el año 2008 se tuvo un total de 330 fallas en los voltajes de 400 kV a 13.8 kV, y un IFI a nivel nacional de 4.96%, que representa un índice más alto con respecto al año 2007, presentándose un total de 211 fallas con un IFI de 3.23%.

En la tabla 2.5 se pueden observar los índices de falla nacionales.

Tabla 2.5 Índices de falla nacionales del 2008

TENSIÓN (KV) ÍNDICE 400 4.1 230 7.78

161 - 115 5.38 69 - 13.8 1.66

Total 4,96

De las 43 fallas registradas en interruptores de potencia de 400 kV en el 2008, las fallas registradas de acuerdo a la localización de los interruptores se observa en la Fig. 2.26

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Figura 2.26 Fallas por localizacion del interruptor de potencia en 400 kV en el año 2008

Las fallas registradas de acuerdo a la marca del interruptor se muestran en la Fig. 2.27

Figura 2.27 Falla de interruptores de potencia por marca en el año 2008

Otro indicador importante de falla de interruptores es el tipo de falla según se origen, en la figura 2.28 se observan estos indicadores:

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Figura 2.28 Porcentaje de fallas a interruptores de potencia de 400kV por el tipo de origen de la falla

En la Fig. 2.29 se observa el porcentaje de fallas presentadas en el 2008 por el componente del interruptor.

Figura 2.29 Porcentaje de falla del interruptor del año 2008 por sus componentes

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2.25 HISTORIALES DE FALLA

Un historial de falla nos sirve para determinar el comportamiento que ha tenido en este caso un interruptor a través de los ultimos años de servicio.

En el año 2008 se registraron 43 fallas entre mayores y menores con un índice de 4.10 %, este índice es menor en un 7.8 % al reportado en el año 2007 que fue de 4.42 %.

En la figura 2.30 se observa el historial por indice de falla por el medio de interrupcion del arco eléctrico en 400 Kv de los ultimos 6 años.

Figura 2.30 Historial de falla de interruptores por su extinción del arco en 400 kV.

En la Fig. 2.31 se muestra el historial de falla de interruptores de potencia en 400 kV en el año 2008 por su mecanismo de accionamiento en los últimos 6 años.

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Figura 2.31 Historial de porcentaje de falla de interruptores por su mecanismo en 400 kV

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CAPÍTULO 3 APLICACIÓN DE INTERRUPTORES DE POTENCIA A REDES

ELÉCTRICAS

3.1 INTERRUPTORES DE POTENCIA PARA ALTA TENSIÓN

Principalmente se hace un enfoque a los interruptores utilizados en niveles de subtransmisión y transmisión, que son: 69, 85, 115,230 y 400 kv.

Los interruptores de potencia descritos deben garantizar el correcto funcionamiento, bajo las condiciones de servicio de sincronización, conexión, desconexión y liberación de falla en el sistema, de cada uno de los servicios que a continuación se indican, con disparo y cierre monopolar o tripolar, según se indica en características particulares.

A) Líneas de transmisión.

B) Bancos de transformación.

C) Generadores de centrales termoeléctricas.

D) Generadores de centrales hidroeléctricas.

E) Bancos de capacitores.

F) Bancos de reactores.

Todos los interruptores que estén dentro de esta categoría deben ser tripolares, además de que el medio para la extinción del arco eléctrico y aislamiento interno debe ser gas SF6 (hexafluoruro de azufre) y debe cumplir con los requisitos siguientes: a) Las características del gas SF6, son las especificadas conforme a la norma IEC 60376- 2005; Specification of Technical Grade Sulfur Hexafluoride (SF6) for Use in Electrical Equipment. Mientras no exista una Norma Oficial Mexicana que la sustituya. b) La presión nominal del gas SF6 a 20 °C, no debe ser mayor que la presión nominal de diseño del interruptor de potencia. c) Los interruptores de potencia deben suministrarse con la carga suficiente de gas SF6, para su operación normal. Otro factor importante que deben cumplir los interruptores además de trabajar a 60 hertz, es que la corriente nominal y de corto circuito sean las adecuadas para cada nivel de tensión. En la tabla 3.1 se muestran estos valores.

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Tabla 3.1 Corrientes nominales de operación y corrientes de interrupción

Tensión nominal del interruptor de potencia (kV)

Corriente nominal

(A)

Corriente de interrupción

de cortocircuito

(kA)

Corriente de interrupción en

cables cargados (cable en

vacío) (A)

Corriente de interrupción

con línea cargada (línea

en vacío) (A)

20 25 72.5 1250

31.5

125 10

20 25 100 1250

31.5

125 20

1250 25 1600 31.5 1600

123

2000 40

140 31.5

1250 1600 2000

31.5

1600 2000

145

3150

40 50

160 50

1250 1600 2000

31.5

1600 40

170

2000 50

160 63

1250 1600 2000 3150

31.5

1600 2000

40

245

2000 50

250 125

1600 2000

31.5

1600 2000

40 420

2000 50

400 400

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3.2 VALORES NOMINALES ESTÁNDARES PARA INTERRUPTORES DE POTENCIA

La Comisión Electrotécnica Internacional (IEC) recomienda los niveles de tensión expresados en la Tabla 3.2, que son los comúnmente usados en México. Factor de rango de tensión nominal (k)

El factor de rango de tensión nominal (k) está definido por ANSI como la relación entre la tensión máxima y el límite inferior del rango de tensiones de operación, en él, las capacidades interruptivas simétricas y asimétricas requeridas varían en proporción inversa a la tensión de operación. Este factor de rango fue utilizado sólo por ANSI, principalmente en interruptores con tecnologías antiguas tales como interruptores en aceite y de soplo magnético en aire, donde una reducción en la tensión da como resultado un incremento en la capacidad interruptiva. Con las tecnologías modernas, vacío y SF6, este factor ya no es aplicable [13].

Tabla 3.2 Tensiones nominales y máxima de diseño

TENSIÓN NOMINAL

DE OPERACIÓN

(kV)

TENSIÓN MAXIMA

DE DISEÑO

ANSI (kV)

TENSIÓN MAXIMA

DE DISEÑO IEC (kV)

2.2 …. 3.6 4.16 4.76 7.2 13.8 15.5 17.5 23 25.8 24

34.5 38 36 69 72.5 72.5 115 121 123 138 145 145 230 242 245 400 …. 420

3.3 VALORES NOMINALES PARA CICLOS DE CIERRE APERTURA

Los valores nominales de tiempo de cierre y apertura establecidos para los interruptores de potencia en México se toman de la NRF-022-CFE-2006 INTERRUPTORES DE POTENCIA DE 72,5 kV A 420 kV. A continuación se mencionan algunos conceptos importantes y los tiempos de operación con los que deben de cumplir los interruptores de potencia.

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Tiempo de apertura. Es el intervalo de tiempo que transcurre desde el instante de la energización de la bobina de apertura del interruptor de potencia, estando en posición cerrado y el instante cuando se hallan separado todos los contactos de los polos.

Tiempo total de interrupción. El intervalo de tiempo transcurrido desde la energización de la bobina de apertura hasta la extinción completa del arco en todos los contactos de los polos, debe ser como máximo 50 ms.

Tiempo de cierre. El intervalo de tiempo transcurrido desde la energización de la bobina de cierre, hasta el instante en que se toquen los contactos principales de todos los polos, debe ser como máximo 160 ms.

Secuencia nominal de operación. El interruptor de potencia debe ser capaz de ejecutar a tensión y frecuencia nominales, la secuencia de operación siguiente:

A - 0,3 s - ca - 3 min – ca

Donde:

A: representa la operación de apertura.

Ca: representa la operación de cierre - apertura.

Simultaneidad en la operación de los polos. Los interruptores de potencia deben cumplir las siguientes diferencias en simultaneidad de tiempo de operación entre el primero y el último polo del interruptor de potencia: a) En operación de cierre 4,16 ms, máximo. b) En operación de apertura 2,77 ms, máximo. Simultaneidad entre contactos del mismo polo. En aquellos interruptores de potencia donde exista más de una cámara de interrupción por polo, debe cumplir que las diferencias de tiempo entre el primero y último contacto del mismo polo sean las siguientes:

a) En operación de cierre 2 ms, máximo. b) En operación de apertura 2 ms, máximo. 3.4 DETERMINACIÓN DE VOLTAJES TRIFÁSICOS EQUIVALENTES Y VALORES DE INTERRUPCIÓN

El interruptor debe ser capaz de interrumpir, cualquier corriente que circule a través de sus contactos, con una intensidad que vaya desde unos cuantos amperes, hasta la de su capacidad interruptiva, ambas simétrica o asimétricas, a las tensiones especificadas en la norma IEC-62271-100, y hasta un 25% de su capacidad interruptiva al doble de

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su tensión nominal entre fases. Cerrar con la corriente máxima de corto circuito a la tensión nominal entre fases, y al 25% de la corriente máxima de corto circuito, al doble de su tensión nominal entre fases. Cerrar sobre un circuito con falla, y soportar 2.6 veces la corriente de su capacidad interruptiva, durante un segundo, de acuerdo con las NRF-022 y NRF-028, vigentes. En la tabla 3.3 se muestran los valores que debe de soportar el interruptor.

Tabla 3.3 Tensiones nominales y valores de pruebas dieléctricas (1)(5)

Tensión nominal

(kV) valor eficaz

Tensión de aguante nominal a la frecuencia

del sistema (kV) valor eficaz

(1 min) seco(s) y húmedo (h)

Tensión de aguante nominal

a impulso por rayo (kV)

valor pico seco (s)

Tensión nominal de aguante nominal a impulso por maniobra

(kV) valor pico

seco (s) y húmedo (h)

Interruptor de

potencia

De fase a tierra y a través de

interruptor de

potencia cerrado


interruptor de

potencia abierto


interruptor de

potencia cerrado


interruptor de

potencia abierto

De fase a tierra

Entre fases para interruptor

de potencia

de tanque muerto

A través de las

terminales del

interruptor de

potencia abierto

1 2 3 4 5 6 7 8 72.5 140 (s/h) 325 NA NA NA 100 185 (s/h) 450 NA NA NA 123 230 (s/h) 550 NA NA NA

145(2) (3) 275 (s/h) 650 NA NA NA 170(4) 325 (s/h) 750 NA NA NA 245 460 (s/h) 1050 NA NA NA

245(2) 380 (s) 435 (s) 1050 1050(+170) 850 1275 700 (+245) 420 520 (s) 610 (s) 1425 1475(+240) 1050 1575 900 (+345)

420(2) 620 (s) 800 (s) 1550 1550(+315) 1175 1760 900 (+450)

NOTAS:

1) Los valores de prueba indicados en esta tabla están referidos a las condiciones normalizadas de 101,3 kPa de presión, 20 ºC de temperatura y humedad absoluta de 11 g/m3 . 2) Exclusivamente para los casos de extra alta contaminación y/o altitudes mayores a 2 500 m.s.n.m. 3) Exclusivamente para los casos en los que se requiera corrientes de interrupciones de 50 kA o mayores. 4) Tensión restringida del sistema de 161 kV. 5) Los valores especificados en la tabla están basados en un estudio de coordinación de aislamiento realizado por el LAPEM, con los siguientes parámetros principales: Índice de falla del equipo 1/400; tensión nominal del apartarrayos 192 kV para tensión nominal del sistema de 245 kV; Tensión nominal del apartarrayos de 336 kV para tensión nominal del sistema de 420 kV. [13]

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CAPÍTULO 4

CARACTERÍSTICAS DE CAPACIDAD INTERRUPTIVA DE LA SE TEXCOCO DEBIDO A CAMBIOS DE TOPOLOGÍA DE LA RED

4.1 CARACTERÍSTICAS DE LA SE TEXCOCO CON RESPECTO A LA RED ELÉCTRICA NACIONAL

La S.E. Texcoco forma parte de la Subárea de Transmisión y Transformación Centro y se encuentra ubicada en el km. 47.2 de la carretera federal México - Veracruz, en la parte oriente del Estado de México, con las siguientes coordenadas 99° 30' de longitud oeste y 19° 33' de latitud norte.

Por la ubicación geográfica en donde se encuentra es parte vital para el suministro de energía eléctrica al Distrito Federal, siendo parte medular del sistema interconectado nacional.

En la fig. 4.1 se puede observar el diagrama unifilar de la Subestación Texcoco y en la figura 4.2 se observa la posición en la que se encuentra está subestación dentro del anillo de 400 kV.

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Figura 4.1 Diagrama unifilar de la Subestación Eléctrica Texcoco

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Figura 4.2 Anillo Metropolitano de 400 kV.

4.2 NIVELES DE CORTO CIRCUITO EN LA SE TEXCOCO ANTERIORES

En el año de 1996, la S.E. Texcoco contaba con una capacidad de transformación 450 MVA, en dos bancos de autotransformadores de 400/230/14.7 kV.

Dos reactores de 25 MVAR conectados a las barras del terciario del banco no. 1, 8 líneas de 400 kV y 4 líneas de 230 kV.

En el año de 1996 la subestación contaba con los siguientes niveles de corto circuito:

El nivel del corto circuito trifásico y monofásico simétrico en buses de 230 y 400 KV., son los siguientes:

FALLA 3-F FALLA 1-F

400 kV. 27,109 Amp. 26,021 Amp.

230 kV. 35,984 Amp. 39,389 Amp.

Para brindar mayor confiabilidad a Subestación Texcoco por la importancia que tiene dentro del anillo metropolitano y troncal de 400 kV y previendo el crecimiento de la

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red eléctrica nacional, a partir de el año 1997 se comienza con el proyecto de ampliación y modernización, por lo que los niveles de corto circuito en la subestación se vieron afectados, elevando su valor. Fue hasta el año 2004 cuando se termina con el alcance de los trabajos de modernización, estableciéndose nuevos valores de corto circuito.

4.3 NIVELES DE CORTO CIRCUITO DE LA SE TEXCOCO ACTUALES Y FUTUROS

Actualmente la subestación cuenta con una capacidad de transformación de 1125 MVA, en tres bancos de autotransformadores de 400/230/34.5 kV.

Cuenta con 9 líneas de 400 kV y 8 líneas de 230 kV, además se introdujo un Compensador Estático de Potencia Reactiva de -90 MVAR Inductivos y 300 MVAR Capacitivos.

Debido a esta modernización, los niveles de corto circuito se incrementaron considerablemente. En la tabla 4.1 se muestran los valores actuales de corto circuito de la Subestación Eléctrica Texcoco.

Tabla 4.1 Valores de Corriente de Corto Circuito simétricos de la Subestación Eléctrica Texcoco del año 2006, 2007 y 2008.

Subestación Corriente de Corto Circuito No. Bus

Nomenclatura Nombre

Voltaje (kV) Trifásico

(A) Monofásico

(A) Año

12000 TEX TEXCOCO 400 33064.7 32311.2 2006 12030 TEX TEXCOCO 230 43751.4 47324.7 2006

12000 TEX TEXCOCO 400 34243.5 32753.6 2007 12030 TEX TEXCOCO 230 44388.6 47293 2007

12000 TEX TEXCOCO 400 34941.5 33319.1 2008 12030 TEX TEXCOCO 230 45860.1 48785.1 2008

Los valores de corriente de corto circuito trifásicos suelen ser mayores en la mayoría de los casos a los monofasicos. En el caso particular de la Subestación Eléctrica Texcoco, se observa que en el lado de 230 kV los valores de corriente de corto circuito son mayores a los trifásicos.

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Esto es debido a la ubicación de la subestación dentro de la red eléctrica interconectada, ya que por la ubicación de sus líneas de transmisión se cuenta con impedancias en paralelo que incrementan los valores de las reactancias, aunado a esto también intervienen las impedancias de los 3 bancos de autotransformadores.

4.4 VALORES REQUERIDOS

El interruptor de potencia por ser un elemento fundamental en un sistema eléctrico, cuya función es asegurar el flujo continúo de corriente en condiciones normales de operación y en caso de falla interrumpir dicho flujo aislando el elemento de falla y protegiendo al personal y al resto del equipo. Es necesario que se encuentre en las mejores condiciones, además de cumplir con los requerimientos que exija la parte del sistema donde será instalado

En la tabla 4.1 se puede apreciar que la Subestación Texcoco requiere de interruptores con capacidad interruptiva de al menos 40 kA para el caso de 400 kV y de al menos 50 kA para el lado de 230 kV, lo cuál se aprecia de manera mas clara en los cálculos realizados por la Subdirección de Transmisión en colaboración con la Gerencia de Protecciones.

Debido a lo anterior era indispensable realizar el reemplazo del interruptor BBC Tipo DLF de 400 kV, por no cumplir con los requerimientos que la subestación necesita para proporcionar una confiabilidad, disponibilidad y seguridad máxima a la subestación y a la red eléctrica.

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CAPÍTULO V

EL INTERRUPTOR DE POTENCIA BBC TIPO DLF Y EL INTERRUPTOR DE POTENCIA DE 400 kV MARCA SIEMENS TIPO 3AP2-FI-420

5.1 EL INTERRUPTOR DE POTENCIA BBC TIPO DLF

El interruptor de potencia Brown Boveri tipo DLF es un interruptor multicamara, con mecanismo de accionamiento neumático y medio de extinción del arco eléctrico por medio de soplo de aire a alta presión.

Es un interruptor tripolar tipo Y, accionado por un deposito de aire comprimido, formado por un grupo motor – compresor.

El proceso para extinción del arco eléctrico que realiza este interruptor es el siguiente: Se lleva a cabo un comando de operación, que lleva la información hasta el cubículo de control, después actúan las válvulas de presión indicando la posición en la que se encuentra el interruptor, accionando la varilla de control acoplada a la válvula de control que cierra y abre los contactos.

Cuando actúa la válvula de control que controla el mecanismo de operación, se abre la válvula de chorro de aire y la válvula de escape para realizar el golpe al arco, al mismo tiempo el contacto móvil se encuentra en movimiento, y se procede a la interrupción del arco cerrando o interrumpiendo el circuito, permaneciendo los contactos bajo presión en posición abierta o cerrada.

Finalmente mediante el mecanismo de control, se controlan y supervisan las actividades neumáticas del interruptor para que este listo para la siguiente operación. 5.1.1 DESCRIPCIÓN

El interruptor cuenta principalmente con los siguientes componentes:

- Tanque comprimido, con block de control y/o block de válvula. - Columna de aisladores soporte - Cámara de interrupción - Cubículo de control para la supervisión de las actividades neumáticas del interruptor y para el rellenado de aire comprimido. En la Fig. 5. 1 se puede observar una fase del interruptor BBC Tipo DLF, donde se observan los diferentes elementos constructivos del interruptor.

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El interruptor BBC, está constituido por 4 cámaras para la extinción del arco eléctrico, ya que el principio para la extinción del arco eléctrico se basa en la división y enfriamiento del arco para su extinción.

Cuenta con 2 capacitores de gradiente, que le permiten una distribución homogénea de la corriente, para que la extinción del arco sea más eficiente. Tiene una columna aislador soporte, en la cual se encuentra la barra de accionamiento que abre y cierra los contactos, además de encargarse de soportar el conjunto de cámaras de extinción y capacitores de gradiente.

En la figura 5.1 también se observa el tanque de almacenamiento de aire comprimido (tanque azul en la figura), el cuál es alimentado por un grupo motor – compresor. En este tanque es almacenado el aire comprimido a alta presión que abre y cierra los contactos para llevar a cabo la extinción del arco eléctrico.

Figura 5.1 Interruptor de potencia neumático BBC Tipo DLF

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5.1.2 VALORES FUNCIONALES

Los valores mínimos que debe de especificar un fabricante en el dato de placa deben ser los siguientes:

- Nombre del equipo

- Nombre de fabricante y año de fabricación

- Número de serie para el interruptor en conjunto

- Tipo y modelo

- Tensión nominal en kV

- Tensión de aguante al impulso por rayo

- Tensión de aguante al impulso por maniobra

- Frecuencia nominal

- Corriente nominal

- Corriente nominal de interrupción de corto circuito (kA)

- Secuencia de operación

- Altura de operación, etc.

En la tabla 5.1 se observan los valores nominales principales del interruptor BBC

Tabla 5.1 Datos de placa del interruptor BBC Tipo DLF

INTERRUPTOR A3W10 BROWN BOVERI TIPO DLF- 420 nc4 AÑO 1975

NO. DE SERIE A401119/3 ALT.OP 3000 m.s.n.m

MECANISMO

Neumático KV NOM 420 kV AMP NOM 2000A CAP.INTERRUPTIVA 31.5 KA MEDIO DE EXT AIRE

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5.1.3 DESCRIPCIÓN DE LOS ESQUEMAS Y DISPOSITIVOS DE CONTROL Y PROTECCIÓN DEL INTERRUPTOR BBC TIPO DLF

El interruptor cuenta con un gabinete de control en el que se encuentran alojados varios mecanismos, como son las válvulas de seguridad, de control de accionamiento, control primario, válvula de chorro, válvula de escape, válvula reductora, la varilla de control de acondicionamiento, etc. Este block de control es el encargado de permitir la ejecución del comando de operación, accionando directamente la válvula block que lleva a cabo la operación de las columnas.

La válvula reductora es la encargada, de llenar el interruptor con aire comprimido a la presión necesaria. Otro elemento importante es el switch de presión, que es el que supervisa la presión del interruptor y controla la apertura o cierre de la válvula reductora y bloquea o desbloquea el circuito de control. Cuenta con un sensor de fases, que controla la operación uniforme de los tres polos del interruptor y en caso de existir una discrepancia de fases elevada lleva a cabo el disparo de los tres polos.

La varilla de control está conectada mecánicamente a la válvula de control y se encarga de abrir y cerrar el interruptor.

Por seguridad el interruptor cuenta con 2 circuitos de disparo y uno de cierre los cuales pueden activarse de forma local o remota en el tablero de operación. Siendo alimentado de manera independiente cada uno de los circuitos de disparo. La protección que utiliza el interruptor es la 50FI (Falla de interruptor).

5.2 EL INTERRUPTOR DE POTENCIA DE 400 kV Marca SIEMENS TIPO 3AP2 FI

El interruptor de potencia 3AP2 FI es un interruptor tripolar de autocompresión, en versión para intemperie y emplea el gas SF6 como medio aislante y de extinción. El interruptor de potencia se acciona mediante un accionamiento por acumulador de resorte en cada fase, de manera que es apropiado para auto-reconexión unipolar y tripolar.

El interruptor de potencia está diseñado para operar en una gama amplía de temperaturas ambiente de -25°C a 55°C, con la finalidad de darle una mayor confiabilidad al sistema.

5.2.1 DESCRIPCIÓN

El interruptor de potencia está diseñado de manera que las columnas polares se hallan individualmente sobre un soporte al que está sujeto lateralmente un gabinete de accionamiento. Las columnas de aisladores soporte están formadas por varios aisladores multipantalla y cada uno soporta una doble cámara de interrupción consiste

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en dos unidades ruptoras con condensadores de gradiente de potencial conectados en paralelo y un engranaje intermedio.

Las dos unidades ruptoras proporcionan una doble interrupción por cada polo; los condensadores de gradiente de potencial procuran una distribución homogénea de la tensión.

La doble cámara de interrupción lleva una carga de SF6 como medio aislante y de extinción. La densidad del gas SF6 se vigila en cada polo con un monitor de densidad y la presión se indica mediante un manómetro.

La energía requerida para la maniobra de un polo es acumulada en un resorte de cierre y un resorte de apertura, estos resortes se encuentran en el accionamiento.

En la fig. 5.2 se observa el interruptor SIEMENS 3AP2-FI

Figura 5.2 Interruptor de potencia en SF6, con mecanismo de accionamiento de resorte marca SIEMENS 3AP2-FI

5.2.2 VALORES FUNCIONALES

En las tablas 5.2, 5.3 y 5.4 se observan los principales valores funcionales del interruptor SIEMENS 3AP2-FI, en ellos se indican los principales datos eléctricos, tiempos de operación y la capacidad de aislamiento.

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Tabla 5.2 Capacidad de aislamiento del interruptor SIEMENS 3AP2 – FI

CAPACIDAD DE AISLAMIENTO TENSIÓN NOMINAL 420 kV

TENSIÓN DE ENSAYO SOPORTADA A FRECUENCIA INDUSTRIAL (nota 1)

RESPECTO A TIERRA 800 kV 800 kV A TRAVES DE LA DISTANCIA

ENTRE CONTACTOS ABIERTOS ENTRE POLOS 520 kV

TENSIÓN DE ENSAYO SOPORTADA A IMPULSO TIPO

RAYO (nota 2) RESPECTO A TIERRA 1900 kV A TRAVES DE LA DISTANCIA ENTRE CONTACTOS ABIERTOS

1900 kV

ENTRE POLOS 1425 kV Tensión DE CHOQUE RESPECTO A Tensión ALTERNA

1550 kV +240 kV

TENSIÓN DE ENSAYO SOPORTADA AL CHOQUE POR

MANIOBRA (nota 3) RESPECTO A TIERRA 1200 kV A TRAVES DE LA DISTANCIA ENTRE CONTACTOS ABIERTOS

1300 kV

ENTRE POLOS 1575 kV TENSIÓN DE CHOQUE RESPECTO A TENSIÓN ALTERNA

900 kV + 345 kV

DISTANCIA DISRUPTIVA EN EL AIRE (nota 4)

RESPECTO A TIERRA 3800 mm A TRAVES DE LA DISTANCIA ENTRE CONTACTOS ABIERTOS

3800 mm

ENTRE POLOS Ver plano dimensional

LINEA DE FUGA MINIMA A TRAVES DE LOS

AISLADORES (nota 5) RESPECTO A TIERRA 12250 mm

A TRAVES DE LA DISTANCIA ENTRE CONTACTOS ABIERTOS

13020 mm

Notas de la tabla 5.2

1) Los valores de capacidad de aislamiento están descritos con mayor claridad en al especificación CFE-L0000-06 Coordinación de aislamiento, en la norma internacional IEC-71-1 y en el manual de interruptores de potencia.

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Tabla 5.3 Datos eléctricos del interruptor SIEMENS 3AP2 -FI

DATOS ELÉCTRICOS TENSIÓN NOMINAL 420 kV FRECUENCIA NOMINAL 50/60 hz CORRIENTE NOMINAL DE SERVICIO 4000 A CORRIENTE NOMINAL DE CORTE DE LINEA AEREA (1.4 p.u.)

400 A

CORRIENTE NOMINAL DE CORTE DEL CABLE (1.4 p.u.)

400 A

TENSIÓN TRANSITORIA DE REEESTABLECIMIENTO PARA FALLOS DE BORNES

Según IEC

CORRIENTE NOMINAL DE CIERRE DE CORTO CIRCUITO

50 kA

DURACIÓN NOMINAL DEL CORTO CIRCUITO

3 s

SECUENCIA NOMINAL DE MANIOBRA A - 0.3s - CA - 3min - CA

Tabla 5.4 Tiempos de conmutación

TIEMPOS DE CONMUTACION DURACIÓN MINIMA DE LA ORDEN (CIERRE)

80ms

DURACIÓN MINIMA DE LA ORDEN (APERTURA)

80ms

TIEMPO DE CIERRE 65ms ± 6ms TIEMPO DE APERTURA 28ms ± 6ms TIEMPO DE INTERRUPCION NOMINAL ≤ 46ms TIEMPO DE CIERRE/APERTURA 60ms ± 10ms TIEMPO MUERTO 300 ms

5.2.3 DESCRIPCIÓN DE LOS ESQUEMAS Y DISPOSITIVOS DE CONTROL Y PROTECCIÓN DEL INTERRUPTOR SIEMENS Tipo 3AP2-FI-420

El control reúne todos los componentes técnicos secundarios que se requieren par el funcionamiento correcto del interruptor, que se encuentra contenido en el armario de mando y en las cajas de accionamiento.

El interruptor cuenta con contadores y relés de temporización, con un contador de operaciones, resistencia de calefacción como protección de anticondensación, etc.

Incluye un mecanismo de tensado del resorte que se compone de engranaje y tensores con rueda libre, contando con un indicador de resorte cargado. De igual

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manera cuanta con un mecanismo de tensado manual, en caso de que el tensado automático falle.

Cada columna polar constituye una cámara de gas cerrada. Para vigilar las columnas se cuenta con una válvula de retención, un monitor de densidad, un manómetro, conexiones de ensayo, así como tuberías auxiliares para conectar componentes.

El sistema de supervisión del gas SF6, es por cada columna polar y se supervisa por medio del monitor de densidad. Estos valores se comparan con al curva de densidad de llenado de SF6, cuyos valores se mencionan en la placa de datos del interruptor. .

Para mayor seguridad el interruptor cuenta con varios bloqueos, como son:

‐ Bloqueo de funcionamiento de SF6, que impide cualquier maniobra del polo del interruptor de potencia si la presión del SF6 es demasiado baja.

‐ Bloqueo de cierre, evita el mando del disparador de CIERRE durante el proceso de tensado del resorte de cierre.

‐ Dispositivo antibombeo, evita que el polo se cierre y abra continuamente estando presentes simultáneamente las ordenes de CIERRE y APERTURA.

‐ Cuenta con dos disparos, uno primario y uno de respaldo, alimentados de diferentes fuentes para que el interruptor siempre opere de manera confiable.

La protección del interruptor es la 50FI.

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CAPÍTULO 6

CRITERIOS DE SELECCIÓN DE INTERRUPTORES EN LA SUBESTACIÓN ELÉCTRICA TEXCOCO BASADO EN CÁLCULOS POR

CAMBIO DE CAPACIDAD INTERRUPTIVA Y NORMATIVIDAD

6.1 INTERRUPTORES DE C.A

Puesto que la mayoría de las fallas son temporales y se despejan por sí mismas, el restablecimiento se basa en que en la idea de que si un circuito se desenergiza durante un tiempo corto, es probable que cualquiera que le sea la causa de la falla, el arco ionizado en la falla ya se desintegró y se disipó.

Las normas actuales para interruptores se basan en la corriente de interrupción simétrica. Normalmente es necesario calcular sólo la corriente de falla simétrica en un lugar del sistema, y seleccionar después un interruptor con una capacidad de interrupción simétrica igual o superior a la corriente calculada. El interruptor tiene la capacidad adicional de interrumpir la corriente de falla asimétrica (o total) si el desplazamiento de CD no es demasiado grande.

Por ello es necesario recordar que el factor máximo de asimetría K=(T=0) es , que ocurre al principio de la falla (T=0). Después del comienzo de la falla, la corriente de falla de CD decae en forma exponencial con al constante de tiempo T= (L / R)=(X /ωR), y disminuye el factor de asimetría. Los interruptores de potencia con un tiempo de interrupción nominal de dos ciclos están diseñados para una capacidad de interrupción asimétrica de 1.4 veces su capacidad de interrupción simétrica, en tanto que los interruptores más lentos tienen una capacidad de interrupción asimétrica menor.

El método simplificado para la selección del interruptor se llama “método simplificado E/X”, descrito en la norma ANSI C37.010 de 1972 [13]. La corriente de corto circuito simétrica máxima en la ubicación del sistema en cuestión se calcula a partir del voltaje de prefalla y las características de reactancia del sistema por medio de un programa de computo (ejemplo PCS), Las resistencias, admitancias en derivación, cargas de impedancias no rotatorias y corrientes de carga de corriente de prefalla no se toman en cuenta. Entonces, si la relación X/R en la ubicación del sistema es menor que 15, resulta satisfactorio un interruptor con una capacidad de interrupción simétrica igual o superior a la corriente calculada al voltaje de operación dado.

Sin embargo, si X/R es mayor que 15, es posible que el desplazamiento de CD no haya disminuido a un valor lo suficientemente bajo. En este caso se utiliza un método para corregir la corriente de falla calculada para considerar la constante de tiempo de

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C.D y de C.A. Si no se conoce el valor de X/R, la corriente de falla calculada no debe ser mayor que el 80% de la capacidad de interrupción del interruptor [13].

Los valores X/R se ven afectados por no existir un aterrizamiento sólido de los equipos a tierra, por ello es necesario cuidar este aspecto para que no existan valores de corto circuito asimétricos elevados, que puedan afectar severamente al interruptor en caso de una falla.

En la tabla 6.1 se observan las capacidades que más suelen utilizarse para interruptores colocados al aire libre.

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Tabla 6.1 Capacidades nominales preferida para interruptores al aire libre (la base de la capacidad nominal es la corriente simétrica)

VALORES NOMINALES IDENTIFICACION VOLTAJE NIVEL DE AISLAMIENTO CORRIENTE

Voltaje nominal de prueba no disruptivo

Clase de voltaje nominal (kV rms)

Clase MVA nominal trifásico

Voltaje nominal máx.

(kV rms)

Factor nominal de intervalo de voltaje (K)

Baja frecuencia (kV, rms)

Impulso (kV, cresta)

Corriente continúa nominal a

60 hz (amperes,

rms)

Corriente nominal de

corto circuito (a kV

máx nominales) (kA,rms)

Col. 1 Col. 2 Col. 3 Col. 4 Col. 5 Col. 6 Col. 7 Col. 8 14.4 250 15.5 2.67 600 8.9 14.4 500 15.5 1.29 1200 11 34.5 1500 38 1.65 1200 22 46 1500 48.3 1.21 1200 17 69 2500 72.5 1.21 1200 19 115 121 1 1200 20 115 121 1 1600 40 115 121 1 2000 40 115 121 1 2000 63 115 121 1 3000 40 115 121 1 3000 63 138 145 1 1200 20 138 145 1 1600 40 138 145 1 2000 40 138 145 1 2000 63 138 145 1 2000 80 138 145 1 3000 40 138 145 1 3000 83 138 145 1 3000 80 161 169 1 1200 16 161 169 1 1600 31.5 161 169 1 2000 40 161 169 1 2000 50 230 242 1 1600 31.5 230 242 1 2000 31.5 230 242 1 3000 31.5 230 242 1 2000 40 230 242 1 3000 40 230 242 1 3000 63 345 362 1 2000 40 345 362 1 3000 40 500 550 1 2000 40 500 550 1 3000 40 700 765 1 2000 40 700

No es aplicable

765 1 3000 40

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Continuación de la tabla 6.1

CAPACIDADES REQUERIDAS RELACIONADAS VALORES DE CORRIENTE

VALORES NOMINALES

Capacidad de interrupción simétrica máxima

Capacidad de la

corriente de corta

duración , 3 segundos

Corriente de corto circuito nominal multiplicad por k

Tiempo nominal de interupción (ciclos)

Retraso nominal permisible de disparo (segundos)

Voltaje nominal máximo dividido entre K (kV, rms) (kV, rms) (kV, rms)

Capacidad de cierre y bloqueo por 1.6 K veces la corriente nominal de

corto circuito (kA, rms)

Col. 9 Col. 10 Col. 11 Col. 12 Col. 13 Col. 14 5 2 5.8 24 24 38 5 2 12 23 23 37 5 2 12 24 24 38 5 2 23 36 36 58 5 2 40 21 21 33 5 2 60 23 23 37 3 1 121 20 20 32 3 1 121 40 40 64 3 1 121 40 40 64 3 1 121 63 63 101 3 1 121 40 40 64 3 1 121 63 63 101 3 1 145 20 20 32 3 1 145 40 40 64 3 1 145 40 40 64 3 1 145 63 63 101 3 1 145 80 80 128 3 1 145 40 40 64 3 1 145 63 63 101 3 1 169 80 80 128 3 1 169 16 16 26 3 1 169 31.5 31.5 50 3 1 169 40 40 64 3 1 242 50 50 80 3 1 242 31.5 31.5 50 3 1 242 31.5 31.5 50 3 1 242 31.5 31.5 50 3 1 242 40 40 64 3 1 242 40 40 64 3 1 362 63 63 101 3 1 362 40 40 64 2 1 550 40 40 64 2 1 550 40 40 64 2 1 765 40 40 64 2 1 765 40 40 64

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CAPÍTULO 7

ANÁLISIS DE RESULTADOS OBTENIDOS De acuerdo a lo analizado anteriormente el intercambio del interruptor de potencia se llevo a cabo debido al incremento de los niveles de corto circuito en la Subestación Eléctrica Texcoco, y motivado por la modernización comenzada en la Subestación Texcoco en el año de 1997, y terminada en el año 2004

Otro factor por el cual se retiro el interruptor y se coloco otro más moderno, fue por que el interruptor ya había concluido con su vida útil, que se considera de 30 años; aunado a eso había una problemática para realizar mantenimientos mayores a este tipo de interruptores con mecanismo de accionamiento neumático, ya que sus refacciones eran difíciles de conseguir y en caso de conseguirlas su costo era muy elevado, por lo tanto no era factible para la empresa.

La información recabada en los capítulos anteriores muestran el proceso de selección y sustitución de interruptores de potencia debido al crecimiento de la carga en una subestación, este proceso se ejemplifica en este proyecto mediante el caso práctico de la Subestación Texcoco. La parte medular e inicio de arranque para realizar la sustitución de interruptores de potencia (modernización) es el estudio de la corriente de corto circuito en el punto de interés. Dichos estudios se realizan de manera permanente por la Subdirección de programación como parte del programa de obras e inversiones del sector eléctrico, la misma emite los niveles de corto circuito con horizontes de crecimiento de carga de 5 o más años. Sin embargo el procedimiento es el mismo en cualquier otra empresa eléctrica.

Dichos estudios se realizan con software especializado que consideran todos los parámetros considerados anteriormente. Para el caso de la subestación Texcoco se determinaron los valores de corto circuito máximos y se observo que los mismos rebasaban la capacidad de los interruptores los cuales contaban con una capacidad interruptiva de 31.5 kA, la cual para 1996 ya había sido rebasada (38 kA).

La decisión de la capacidad interruptiva del interruptor a sustituir depende fundamentalmente de los niveles de corto circuito para un horizonte de 5 o más años. En este caso, el análisis se realizo hasta el año del 2008 en el cual se muestran valores cercanos a los 35 kA. Por lo tanto el valor de capacidad interruptiva del interruptor será un valor cercano a este. De esta manera se eligió el interruptor Siemens TIPO 3AP2 FI el cual tiene una capacidad de 50 kA y hasta el momento se encuentra en servicio.

Es necesario que el valor seleccionado se ajuste a la norma ANSI C37.010 de 1972 para fallas asimétricas tal como se menciona en el capítulo 6, este ajuste se verifica

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de manera analítica o como se realiza normalmente, mediante el uso de software especializado. Se observa que en el momento de su selección el mismo cumplía de manera amplia con estos criterios.

Se recomienda que el valor de corto circuito calculado para el interruptor en ese punto de la red, no exceda el 80% del valor de capacidad interruptiva para el cuál fue diseñado el interruptor a instalar, con la finalidad de garantizar su tiempo de vida útil y evitar una falla no prevista.

En el diagrama 1 se observa una descripción del procedimiento para realizar el reemplazo de un interruptor de potencia.

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DIAGRAMA 1 Procedimiento para el reemplazo de un interruptor de potencia.

Establecer los niveles de corto circuito en puntos estratégicos del sistema o subestación

Planeación del crecimiento de una instalación existente ó la factibilidad de realizar una repotenciación (Horizonte no menor a 5 años).

Comparar los niveles de corto circuito actuales y futuros esperados.

Contemplar la posible sustitución de los interruptores de potencia y equipo eléctrico primario afectado.

Verificar las capacidades del interruptor ante fallas asimétricas y sobretensiones, de acuerdo a la normatividad actual.

Elegir el interruptor de potencia de acuerdo a la capacidad interruptiva necesaria y los valores nominales adecuados para el nivel de tensión a el que operara.

Tomar en consideración factores como costo, tecnología, medio de extinción y mecanismo de accionamiento.

Comprar el interruptor seleccionado

Instalar el interruptor de potencia de acuerdo a un programa de trabajo y siguiendo las recomendaciones e instrucciones de montaje marcadas por el fabricante, para no exceder los tiempos establecidos de puesta en servicio

Mantenimientos preventivos y correctivos

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CAPÍTULO 8 CONCLUSIONES.

Como resultado del análisis realizado en capítulos anteriores, en este proyecto se establece claramente el procedimiento de sustitución de interruptores de potencia ejemplificándolo con un caso práctico. Se muestra que el procedimiento de sustitución comprende varias etapas que comprenden un horizonte de tiempo considerable, durante el cual se planean de manera estratégica los factores descritos en el diagrama 1

Se debe tener en consideración el medio en el cual el interruptor operará y donde se localizará. La altitud, temperatura ambiente, contaminación, servicio, accesibilidad, requerimientos de inspección, condiciones sísmicas y ruido de operación, son factores que determinan el tipo de interruptor que será seleccionado.

Hay que considerar para el diseño de sistemas de potencia se puede utilizar un programa de CORTO CIRCUITO para seleccionar, ajustar y coordinar equipo de protección, como interruptores, fusibles, relevadores y trasformadores de instrumento, pero también se puede hacer por cálculos analíticos.

El cálculo detallado de corrientes de falla nos dará el alcance en este sentido. Podemos sin embargo, con suposiciones básicas, hacer los cálculos para corrientes de falla y con estos datos hacer la selección de interruptores.

Otro factor importante que no se puede dejar a un lado es el mantenimiento, y como se menciono su objetivo es el de asegurar la máxima confiabilidad, disponibilidad y rentabilidad del interruptor para que cumpla con sus funciones operativas nominales, previniendo o corrigiendo cuando sea necesario, condiciones que pueden poner en riesgo la operación del mismo, del equipo o instalación al cual está asociado, así como a los equipos e instalaciones vecinas. Este mantenimiento será efectivo cuando el equipo cumpla con los requisitos de calidad desde su selección, especificación y construcción, complementándose con una adecuada puesta en servicio.

Como se puede observar, la sustitución de los interruptores de potencia por capacidad interruptiva es un procedimiento que si bien no esta establecido de manera formal como un procedimiento especifico, este trabajo de tesis demuestra que el mismo se ve afectado por varios factores, los cuales si no se consideran adecuadamente pueden afectar la vida útil del interruptor y una consecuente falla del mismo. Este trabajo de tesis pretende ser una referencia para futuros trabajos similares en subestaciones de potencia o para futuros trabajos de tesis o investigación académica relacionados con el tema.

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REFERENCIAS

(1) Tesis para obtener el título de M. en C. del Ing. Carlos Ramírez Pacheco,”Incorporación de modelos de arco eléctrico a interruptores de potencia en el ATP/EMTP”, Febrero del 2000.

(2) Protección de sistemas de potencia e interruptores”, Ravindranath B. ,Ed. Limusa 1a reimpresión 1989

(3) High Voltage Circuit Breakers, Design and Applications: Second Edition – Adobe

(4) Memoria de residencia profesional para obtener el título de Ingeniero Electricista de Nohemí Pacheco Tecuapetla, “Puesta en servicio de interruptor ABB de 420 kV tipo HPL de SF6”, diciembre del 2003

(5) Manual de interruptores de potencia, publicado por la gerencia de subestaciones y líneas de transmisión de la CFE, marzo del 2003.

(6) Elementos de diseño de subestaciones eléctricas, Gilberto Enríquez Harper, Ed. Limusa, México 1988

(7) Electrical Transmission and Distribution Reference Book, by Central Station Engineers of the Westinghouse Electric Corporation ,1964.

(8) Pruebas y mantenimiento a equipos eléctricos, Gilberto Enríquez Harper, Ed. Limusa-Noriega editores, México 2007.

(9) Síntesis de fallas a interruptores de potencia 2008, Publicado por la Subdirección de Transmisión, la Coordinación de Transmisión y la Gerencia de Subestaciones de la CFE, México 2008.

(10) Manual de servicio del interruptor SIEMENS 3AP2-FI-420, SIEMENS, Alemania 2008.

(11) Manual de montaje del interruptor BBC Tipo DLF.

(12) NRF-022-CFE-2006 (INTERRUPTORES DE POTENCIA DE 72,5 kV A 420 kV).

(13) Sistemas de potencia, Análisis y diseño, J. Duncan Glover, Mulukutla S. Sarma, 3ª. edición, Ed. Thomson

(14) Operación y mantenimiento de interruptores de potencia, Manual elaborado por la Dirección de Operación y Coordinación de los CENAC CFE, 2004.

(15) Especificación CFE-L0000-06 Coordinación de aislamiento

(16) Norma Internacional IEC-71-1

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