Un interruptor que usa vacío como medio de extinción de arco se llama interruptor de vacío. En este interruptor automático, el contacto fijo y móvil están encerrados en una cámara de vacío sellada permanentemente.
El arco se extingue a medida que los contactos se separan en el espacio vacío. Se utiliza principalmente para media tensión que varía de 11 kV a 33 kV. Esta tecnología de vacío se ha desarrollado para alto voltaje pero no es comercialmente viable.
La tecnología de interruptores de vacío se introdujo por primera vez en el año de 1960. Pero aún así, es una tecnología en desarrollo. A medida que pasa el tiempo, el tamaño del interruptor de vacío se ha reducido desde su tamaño de principios de 1960 debido a diferentes desarrollos técnicos en este campo de la ingeniería.
¿Que son los interruptores de vacío?
Un interruptor de vacío es un tipo de interruptor donde el enfriamiento del arco tiene lugar en medio de vacío. La operación de encendido y cierre de contactos portadores de corriente e interrupción de arco interrelacionada se lleva a cabo en una cámara de vacío en el interruptor que se llama cámara de vacío.
El interruptor de vacío tiene un medio de alto aislamiento para la extinción del arco en comparación con otro tipos de interruptores. La presión dentro del interruptor de vacío es aproximadamente 10-4 hasta 10-6 torrent y a esta presión, muy pocas moléculas están presentes en el interruptor. El disyuntor de vacío tiene principalmente dos propiedades fenomenales:
- Alta resistencia de aislamiento: En comparación con otros medios de aislamiento el vacío es un medio dieléctrico superior. Es mejor que todos los otros medios, excepto el aire y el SF6 , que se emplean a alta presión.
- Cuando se abre un arco separando los contactos en el vacío, se produce una interrupción muy rápida. Con la interrupción del arco, la fuerza dieléctrica del vacío aumenta hasta miles de veces en comparación con otros interruptores.
Las dos propiedades anteriores hacen que los interruptores sean más eficientes, menos voluminosos y más baratos en costo. Su vida útil también es mucho mayor que la de cualquier otro interruptor, y casi no requiere mantenimiento.
Construcción interruptor o disyuntor de vacío
Su construcción es muy simple en comparación con cualquier otro interruptor automático. Su construcción se divide principalmente en tres partes, es decir, contactos fijos, contacto móvil y protección de arco que se coloca dentro de la cámara de interrupción del arco.
La envoltura externa del disyuntor de vacío está hecha de vidrio porque la envoltura de vidrio permite examinar el disyuntor desde afuera después de la operación. Si el vidrio se vuelve lechoso por su acabado original de espejo plateado, entonces indica que el rompedor está perdiendo vacío.
Los contactos fijos y móviles del interruptor se colocan dentro del escudo del arco. La presión en un interruptor de vacío en el momento del cierre se mantiene a aproximadamente 10-6 torr. Los contactos móviles del interruptor automático se mueven a través de una distancia de 5 a 10 mm, dependiendo de la tensión de funcionamiento.
Los fuelles metálicos de acero inoxidable se utilizan para mover los contactos móviles. El diseño del fuelle metálico es muy importante porque la vida útil del interruptor automático de vacío depende de la capacidad del componente para realizar operaciones repetidas satisfactoriamente.
¿Como funciona el interruptor de vacío?
Inicialmente cuando los contactos se separan debido a algunas condiciones anormales, se produce un arco entre los contactos, el arco se produce debido a la ionización de iones metálicos y depende mucho del material de contactos.
La interrupción del arco en los interruptores de vacío es diferente de otros tipos de interruptores automáticos. La separación de los contactos provoca la liberación de vapor que se llena en el espacio de contacto. Consiste en iones positivos liberados del material de contacto.
La densidad del vapor depende de la corriente en el arco. Cuando la corriente disminuye, la tasa de liberación de vapor disminuye y después de la corriente cero el medio recupera su rigidez dieléctrica si se reduce la densidad del vapor.
Hay dos tipos de formas de arco. Para la corriente de interrupción de hasta 10 kA, el arco permanece difuso y la forma de descarga de vapor cubre toda la superficie de contacto. Por encima de 10 kA, el arco difuso se contrae considerablemente por su propio campo magnético y se contrae.
El fenómeno da lugar al sobrecalentamiento del contacto en su centro. Para evitar esto, el diseño de los contactos debe ser tal que el arco no permanezca estacionario sino que siga viajando por su propio campo magnético. La forma de contacto especialmente diseñada del disyuntor de vacío hace que el arco estacionario estrecho se desplace a lo largo de la superficie de los contactos, provocando una erosión de contacto mínima y uniforme.
Cuando la corriente a interrumpir es muy pequeña en el vacío, el arco tiene varias rutas paralelas. La corriente total se divide en muchos arcos paralelos que se repelen entre sí y se extienden sobre la superficie de contacto. Esto se llama arco difuso que se puede interrumpir fácilmente.
A valores altos de corriente, el arco se concentra en una pequeña región. Causa una rápida vaporización de la superficie de contacto. La interrupción del arco es posible si el arco permanece en estado difuso. Si se retira rápidamente de la superficie de contacto, el arco volverá a golpearse.
La extinción del arco en los rompedores de vacío está muy influenciada por el material y la forma de los contactos y la técnica de considerar el vapor de metal. La trayectoria del arco se mantiene en movimiento para que la temperatura en cualquier punto no sea alta.
Después de la interrupción final del arco, se está acumulando rápidamente la resistencia dieléctrica que es peculiar del interruptor de vacío. Son adecuados para la conmutación de condensadores, ya que proporcionará un rendimiento libre de reempaque. La pequeña corriente se interrumpe antes de la corriente natural cero, lo que puede causar cortes cuyo nivel depende del material de contacto.
Capacidad de corte del interruptor de vacío
El corte de corriente en el interruptor automático de vacío depende de la presión de vapor y las propiedades de emisión de electrones del material de contacto. El nivel de corte también está influenciado por la conductividad térmica: menor es la conductividad térmica, menor es el nivel de corte.
Es posible reducir el nivel de corriente en el que se produce el corte seleccionando un material de contacto que produce suficiente vapor de metal para permitir que la corriente llegue a un valor muy bajo o cero, pero esto rara vez se hace ya que afecta negativamente a la resistencia dieléctrica.
Recuperación de arco de vacío del interruptor o disyuntor de vacío
El alto vacío posee una resistencia dieléctrica extremadamente alta. A corriente cero, el arco se extingue muy rápidamente y la resistencia dieléctrica se establece muy rápidamente.
Este retorno de la resistencia dieléctrica se debe al metal vaporizado que se localiza entre los contactos y se difunde rápidamente debido a la ausencia de moléculas de gas. Después de la interrupción del arco, la fuerza de recuperación durante los primeros microsegundos es de 1 kV / µs para una corriente de arco de 100A.
Debido al atributo mencionado anteriormente, el interruptor de circuito de vacío es capaz de manejar los transitorios severos de recuperación asociados con fallas de línea corta sin ninguna dificultad.
Propiedades del material de contacto de los interruptores o disyuntores de vacío
El material de contacto del interruptor automático de vacío debe tener las siguientes propiedades:
- Tener una alta conductividad eléctrica para que pase corrientes de carga normales sin sobrecalentarse.
- El material de contacto debe tener baja resistencia y alta densidad.
- El material debe poseer una alta conductividad térmica para disipar rápidamente el gran calor generado durante el arco.
- El material debe tener una alta capacidad de resistencia al arco y un bajo nivel de corte de corriente.
Ventajas de los interruptores de vacío
- El vacío ofrece la máxima resistencia aislante. Por lo tanto, tiene propiedades de extinción de arco extremadamente superiores que cualquier otro medio.
- El disyuntor de vacío tiene una larga vida.
- A diferencia del disyuntor de aceite (OCB) o el disyuntor de aire comprimido (ABCB), se evita la explosión. Esto mejora la seguridad del personal operativo.
- Sin peligro de incendio
- La cámara de aspiración funciona rápidamente, por lo que es ideal para la eliminación de fallas. EL interruptor de vacío es adecuado para operaciones repetidas.
- Los disyuntores de vacío casi no requieren mantenimiento.
- Sin escape de gas a la atmósfera y funcionamiento silencioso.
- La unidad de interruptor es compacta y autónoma. Se puede instalar en cualquier orientación requerida.
- Debido a las razones anteriores, junto con la ventaja económica ofrecida, el disyuntor de vacío tiene una gran aceptación.
- Disyuntor de vacío no requiere ningún llenado adicional de petróleo o gas. No necesitan reposición periódica.
- Recuperación rápida de alta resistencia dieléctrica en interrupciones de corriente que solo se produce un medio ciclo o menos de arco después de una separación de contacto adecuada.
Desventajas de los interruptores de vacío
- La principal desventaja del interruptor o disyuntor de vacío es que no es económico a voltajes superiores a 38 kVoltios.
- El costo del interruptor se vuelve excesivo a voltajes más altos. Esto se debe al hecho de que a altos voltajes (superiores a 38 kV) se requieren más de dos interruptores automático para conectarse en serie.
- La producción de interruptores de vacío no es rentable si se produce en pequeñas cantidades.
- Requisitos de alta tecnología para la producción de interruptores de vacío.
- Necesita supresores de sobretensión adicionales para la interrupción de bajas corrientes de magnetización en un cierto rango.
- La pérdida de vacío debido a daños o fallas en el tránsito hace que todo el interruptor sea inútil y no se puede reparar en el sitio.
Aplicaciones del interruptor de vacío
El disyuntor o interruptor de vacío se reconoce hoy como la tecnología de interrupción de corriente más confiable para celdas de media tensión. Requiere un mantenimiento mínimo en comparación con otras tecnologías de disyuntores.
Disyuntores o interruptores de vacío para generadores
Los disyuntores de generadores se prueban adicionalmente de acuerdo con IEEE C37.013 o IEC / IEEE 62271-37-013. Este estándar es el único estándar en todo el mundo que tiene en cuenta el aumento de los requisitos a los que están sujetos los dispositivos al cambiar de generador. Como resultado, el estándar se ha mejorado a un estándar líder de doble logotipo IEEE / IEC.
Por lo general, se consideran varios criterios de selección al elegir el disyuntor de vacío adecuado, incluidos el voltaje nominal, la corriente nominal, los parámetros de cortocircuitos suministrados por el sistema y el generador y el diseño.
Los disyuntores de vacío para generadores están disponibles en versiones de 7.2 a 17.5 kV. Los disyuntores de vacío son muy compactos, con una distancia entre los centros de los polos de solo 210 o 280 mm, y son perfectamente adecuados para su uso en celdas de media tensión gracias a su alta resistencia mecánica y bajo requerimiento de espacio.
Las versiones de alto voltaje y generador están disponibles con las mismas dimensiones y se pueden usar para aplicaciones de conmutación de generador más pequeñas de acuerdo con las especificaciones IEEE de hasta 50 kA, y también para aplicaciones de alto voltaje.
Disyuntores o interruptores de vacío para secuencias de alta conmutación
En el campo industrial en particular, hay aplicaciones que requieren secuencias de conmutación de altas a muy altas.
La conmutación en hornos de arco, por ejemplo, exige más de 100 secuencias de conmutación por día. Esto requiere interruptores de vacío robustos y potentes que puedan manejar estas duras demandas.
Los disyuntores de vacío compactos están diseñados para hasta 40.5 kV y pueden manejar hasta 120,000 secuencias de conmutación. Con un mantenimiento mínimo requerido: engrasar los variadores después de 10,000 secuencias de conmutación y cambiar los tubos de vacío después de 30,000, estos disyuntores se mantienen confiables durante toda su vida útil, a pesar de las duras demandas mecánicas que enfrentan. Una amplia gama de opciones de accesorios como acceso remoto significa que los interruptores automáticos de vacío son flexibles para usar y operar.
Disyuntores o interruptores de vacío para aplicaciones ferroviarias
El suministro de electricidad a los sistemas ferroviarios requiere disyuntores con características especiales. Los interruptores automáticos de uno o dos polos no solo son necesarios para suministrar corriente de tracción, sino que las estrictas demandas de seguridad operativa y la cantidad de secuencias de conmutación también superan con creces las de las aplicaciones regulares. Además, el uso de sistemas de rieles monofásicos crea demandas más estrictas en términos de resistencia dieléctrica.
Los interruptores automáticos de vacío deben cumplir con la norma EN 50152-1 y, por lo tanto, son perfectamente adecuados para su uso en aplicaciones ferroviarias que involucran frecuencias de red de 16,7, 25, 50 o 60 Hz.
Dependiendo de la versión, pueden usarse como interruptores de vacío maestros en locomotoras o para suministro de corriente de tracción estacionaria. Dependiendo de la versión, los disyuntores de vacío pueden manejar hasta 60,000 secuencias de conmutación. Su diseño compacto significa que los paneles de control pueden ser más estrechos.
Referencia: Disyuntores de vacío para aplicaciones especiales siemens.