Interruptores en SF6 o Vacío – ¿Cual tecnología es mejor?

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Hace aproximadamente 35 años, a mediados de la década de 1960, se introdujeron en el mercado dos nuevas tecnologías de interrupción, una que usaba gas SF6 y la otra de vacío como medio de extinción de arco.

El trabajo de investigación y desarrollo en ambas tecnologías ha continuado sin cesar desde entonces, y hoy se puede decir que, juntos, han reemplazado a los tipos más antiguos de aparamenta.

Sin embargo, no siempre hay acuerdo sobre qué criterios deben usarse al elegir una de estas dos tecnologías dominantes. En lugar de una selección objetiva basada en las características del mundo real, la elección depende en gran medida del fabricante del interruptor automático.

Comparación entre interruptores con medios de aislamiento SF6 vs Vacio

Las celdas de SF6 y Vacío disfrutan de un éxito variable en el mercado en las diferentes partes del mundo; mientras que Europa y la mayoría de los países del Medio Oriente tienden a favorecer el SF6, China, Japón y los Estados Unidos definitivamente prefieren el vacío.

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En otras regiones, las dos tecnologías son igualmente populares, sin embargo en China, Europa del Este, India y América Latina todavía se usan tecnologías basadas en petróleo como interruptores de aceite, mientras que la tendencia indica claramente que estas tecnologías desaparecerán muy pronto, para ser reemplazadas por SF6 y vacío.

En la próxima gráfica se muestra la tendencia de uso de las diferentes tecnologías de aislamiento eléctrico en sistemas de media tensión.

Uso de diferentes tecnologías Gas SF6 vs Vacio en el mundo
Uso de diferentes tecnologías Gas SF6 vs Vacio en el mundo

Una de las empresas mas representativas en el sector eléctrico (ABB), afirma que las dos tecnologías son completamente complementarias, aunque en algunos casos sus diferentes diseños pueden ser vistos como alternativas.

Interruptores en SF6

El hexafluoruro de azufre SF6 (SF6) es un gas inerte artificial con excelentes propiedades aislantes y una excepcional estabilidad térmica y química. Estas características del gas lo han llevado a su uso masivo tanto en los equipos de alta tensión como en la media tensión.

interruptor ABB SF6
Interruptor ABB SF6

Las ventajas específicas del gas SF6 en aplicaciones de ingeniería eléctrica han sido ampliamente reconocidas desde principios de la década de 1930, pero solo a fines de la década de 1950 se desarrollaron e instalaron los primeros interruptores automáticos aislados de SF6 de alto voltaje. Los disyuntores de media tensión SF6 siguieron algunos años después.

La primera generación de disyuntores o interruptores en Media tensión SF6 empleó un sistema de gas de doble presión. Los diseños de segunda generación incluyeron el diferencial de presión necesario para crear el flujo de gas, que es proporcionado por un pistón de accionamiento mecánico que comprime un pequeño volumen de gas. Tales interruptores automáticos de tipo “puffertype” requerían un mecanismo relativamente poderoso.

Interruptores en media tensión en SF6

La tercera generación de diseños produjo el flujo de gas al utilizar la energía contenida en el arco. Este diseño de interruptor automático de “self-blast” (“auto-explosión”) resultó en una cantidad significativamente menor de energía requerida para su operación.

Después de muchas investigaciones ABB unió lo mejor de ambos interruptores, los disyuntores de segunda generación “puffertype” y tercera generacion  “self-blast” (auto-explosión) culminado en el diseño de uno nuevo y muy eficiente. Este fue llamado “auto-puffer” (“autocargador”) combina las ventajas de ambos diseños anteriores (Segunda y tercera generación). El disyuntor automático funciona como un dispositivo de puffertype puro cuando se interrumpen corrientes de hasta el 30% de la capacidad máxima de corte nominal y como un interruptor self-blast en niveles más altos.

El interruptor auto-puffer requiere solo una cantidad mínima de energía del mecanismo operativo, pero ofrece los altos niveles de rendimiento del tipo self-blast.

La reducción de la disipación de energía del arco a corrientes bajas y altas (cortocircuito) garantiza una vida eléctrica más larga que cualquiera de los diseños anteriores.

Este rendimiento se obtiene sin poner en peligro la ausencia total de corrientes de corte, que es una característica clave de la técnica self-blast (auto-explosión).

El diseño del mecanismo se ha optimizado para generar solo la presión suficiente para garantizar la interrupción segura de las corrientes en el rango en el que la técnica puffer está operativa.
En consecuencia, pequeñas corrientes inductivas se interrumpen efectivamente con factores de sobretensión inferiores a 2.5 pu

Interruptores en Vacío

Ya a principios del siglo pasado, la interrupción de la corriente en el vacío se reconoció como una técnica de conmutación “ideal”. Sin embargo, varias dificultades prácticas hicieron que se ignorara durante casi tres décadas.

Uno de los problemas fundamentales fue la fabricación de un recinto aislante adecuado, que tuvo que ser sellado herméticamente de por vida. Este problema existió a lo largo de varias décadas hasta que a principios de la década de 1960, se desarrolló una solución con cerramientos de vidrio.

Interruptor ABB vacio
Interruptor ABB vacio

Curiosamente, la tecnología fundamental de los envases de vidrio soplado había estado comúnmente disponible durante siglos. Un paso más adelante vino con el desarrollo de la cerámica de alúmina (Al2O3), un material que posee una resistencia mucho mayor a las tensiones cíclicas de temperatura.

Encontrar un material y una forma adecuados para los contactos del interruptor automático también fue un problema considerable. Los contactos tenían que exhibir una alta resistencia a la erosión por arco durante las operaciones de apertura y cierre, y cualquier erosión tenía que ser difusa e incluso sobre toda la superficie contacto.

El material de contacto tenía que tener una baja propensión a soldar durante el cierre, así como cuando estaba cerrado. Las bajas características de corte de corriente al interrumpir pequeñas corrientes también fueron importantes, al igual que un efecto captador adecuado. La búsqueda de un material adecuado mostró que el cromo poseía la mayoría de las propiedades requeridas.

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Investigaciones posteriores mostraron que el material compuesto de cobre / cromo es el más adecuado y el más capaz de satisfacer los requisitos básicos. Cu / Cr con un contenido de cromo de entre 20% y 60% es ahora el material estándar para contactos, y es utilizado por todos los fabricantes de interruptores de vacío.

El mecanismo de formación del portador de carga le da a un interruptor de vacío la capacidad inherente de extinguir automáticamente los arcos de corriente de valores pequeños a medianos cuando la corriente pasa a cero. Sin embargo, una interrupción satisfactoria de las corrientes de cortocircuito requiere medidas de diseño adicionales.

Los diseños iniciales utilizaron un electrodo especialmente formado para producir un campo magnético radial en el área de contacto del arco. Este campo magnético, al reaccionar con la corriente del arco, obligó a la raíz del arco a moverse continuamente alrededor de la superficie de contacto, evitando así el sobrecalentamiento local y el desgaste desigual.

Una mejora adicional del diseño, dirigida particularmente a aumentar la capacidad de interrupción de corriente a corrientes de cortocircuito extremadamente altas, fue el desarrollo del campo magnético “axial”.
Nuevamente, se emplea un electrodo especialmente diseñado para generar un campo magnético axial, que distribuye la raíz del arco de manera homogénea en toda el área de contacto.

Desarrollos en interruptores SF6 y de vacío

Los interruptores automáticos de SF6 y vacío se han utilizado durante muchos años en celdas de media tensión y la experiencia de servicio ha demostrado que son confiables, casi libres de mantenimiento y seguros en condiciones de funcionamiento.

Las innovaciones en ambas tecnologías han mejorado continuamente su eficiencia, reducido sus dimensiones generales y, lo más importante, reducido la cantidad de energía requerida para operarlas.

Esta reducción en la energía operativa ha llevado al desarrollo de un diseño completamente nuevo de mecanismo operativo, el actuador de imán permanente (Actuador magnético).

Actuador magnético

El mecanismo de funcionamiento de un interruptor automático tiene la función aparentemente “simple” de mover los contactos de la posición cerrado a abierta o viceversa y, cuando se alcanza la posición requerida, de asegurar que los contactos permanezcan en esa posición hasta que se indique un comando definitivo para cambiar nuevamente la posición.

El mecanismo operativo es, por lo tanto, un actuador biestable típico. Esta función se ha realizado con un alto grado de fiabilidad y seguridad durante muchos años mediante mecanismos mecánicos de resorte y cierre.

Sin embargo, las oportunidades que ahora ofrecen los desarrollos en electrónica de potencia han llevado a la búsqueda de un dispositivo operativo más flexible y más fácilmente controlable. Por supuesto, un requisito previo esencial de cualquier sistema nuevo era que tenía que garantizar al menos un rendimiento tan bueno o mejor, en términos de confiabilidad, seguridad y durabilidad, que el mecanismo tradicional basado en resortes.

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Se ha encontrado una solución adecuada en el “actuador magnético”. Un sistema especialmente diseñado que combina electroimanes con imanes permanentes proporciona la energía operativa para el movimiento de los contactos, así como la característica esencial biestable. los interruptores de vacío y los de SF6 se mantienen en posición abierta o cerrada por la fuerza de un imán permanente y esto sin la necesidad de ninguna energía externa.

El cambio de estado de los contactos móviles se produce por un cambio en la dirección del campo magnético resultante de la activación de los electroimanes, que son los elementos de control del actuador. La modulación del suministro de corriente a los electroimanes permite que la energía desarrollada por el sistema se ajuste a los requisitos de diferentes tipos y clasificaciones de disyuntores.

Actuador magnético
Actuador magnético

El mecanismo operativo resultante es considerablemente más simple en construcción que el sistema mecánico convencional. La reducción drástica en el número de piezas reduce inherentemente la susceptibilidad a fallas, y el nivel de mantenimiento requerido por este mecanismo operativo se reduce al mínimo.

Todas las funciones auxiliares, tales como enclavamiento, señalización, disparo, cierre, etc., se proporcionan electrónicamente; También se incluyen instalaciones de autodiagnóstico.
Un condensador electrolítico proporciona la sobretensión requerida para las bobinas de apertura y cierre.

Construcción básica de los dispositivos de conmutación en SF6 y Vacio

Los nuevos interruptores automáticos de vacío y SF6 accionados magnéticamente son totalmente intercambiables entre sí, así como con diseños anteriores. Esta capacidad de intercambio es de considerable importancia para los operadores de la planta, ya que permite que las celdas existentes se vuelvan a equipar a un costo mínimo y muestra claramente el número muy pequeño de componentes utilizados, un hecho que reduce significativamente el potencial de falla.

La simplicidad también es una característica del polo de vacío integrado y el interruptor SF6 que utiliza la técnica de auto-amortiguación, especialmente adaptada para aplicaciones de media tensión.
Gracias a la tecnología de incrustación no hay necesidad de estructuras de soporte especiales para el interruptor o sus terminales.

Conmutación rápida.

Una propiedad importante del actuador magnético que ya se ha mencionado es la versatilidad de sus funciones de control.

La explotación de esta flexibilidad abre la puerta a nuevas soluciones a problemas clave en la distribución eléctrica, problemas que hasta el día de hoy se han solucionado, si es que lo han hecho, solo a un gran costo. Uno de estos problemas es el cambio rápido de transferencia entre fuentes de energía en el caso de una falla en un sistema.

Este problema ha sido enfatizado dramáticamente en los últimos años por un aumento exponencial en las cargas sensibles y la calidad de la energía, principalmente debido al uso de equipos electrónicos. La solución actual, basada en dispositivos electrónicos de potencia, es muy eficiente desde el punto de vista técnico, pero también muy costosa.

La introducción del actuador magnético ha permitido acelerar el funcionamiento de un interruptor automático MT al mínimo absoluto, es decir al tiempo puro de extinción del arco. Utilizando interruptores automáticos de media tensión accionados magnéticamente y electrónica básica adecuada, ha sido posible reducir los tiempos de conmutación de transferencia de la fuente de energía a menos de 40 ms. Este tiempo transcurrido es tan corto que resuelve la mayoría de los problemas de las cargas sensibles y a un costo muy competitivo en comparación con las soluciones basadas en electrónica de potencia.

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Disminucion en cantidad de componentes
Disminución en cantidad de componentes

Interruptor automático síncrono

La disponibilidad de estos nuevos interruptores automáticos con sus mecanismos actuadores magnéticos tiene otra ventaja importante: proporcionan la base para la conmutación síncrona. Esta técnica de conmutación implica que los polos del interruptor automático se operen independientemente, con cada polo abierto o cerrado en el
mejor momento en relación con las condiciones de corriente y / o voltaje que prevalecen en la fase relevante.

La conmutación síncrona minimiza las tensiones eléctricas y mecánicas que surgen tanto en los lados de alimentación como de carga del circuito que se conmuta y en el interruptor automático en sí cuando se interrumpe la corriente.

Con la conmutación síncrona, la cantidad de energía que debe ser disipada en la cámara de interrupción se minimiza y cualquier sobretensión resultante de la operación de conmutación se reduce en gran medida.

Todas estas ventajas resultan del control preciso de la operación del interruptor automático posible gracias al actuador magnético. La precisión del control es tan grande que es posible sincronizar la finalización del recorrido del contacto móvil con el cruce por cero actual en cada fase. Además, la conmutación sincrónica minimiza, en teoría incluso reduce a cero, los picos de corriente de entrada y las sobretensiones que se producen durante la activación de cargas inductivas o capacitivas.

Dado el tipo de carga, estos resultados se obtienen controlando el cierre de los contactos para que se correspondan con la corriente o el voltaje máximo. Las operaciones de cierre y apertura descritas se realizan con una tolerancia máxima de ± 0,5 ms y ± 1 ms, respectivamente. Estas cifras son una verdadera medida del valor del avance tecnológico logrado por la combinación de la electrónica digital con el actuador magnético. Estos desarrollos darán como resultado una mayor confiabilidad para todo el sistema eléctrico, mayor seguridad para el personal y reducciones de costos debido a la minimización de tensión eléctrica y desgaste en el equipo eléctrico.

Integración con sensores y electrónica.

El hardware y el software actualmente disponibles para su uso con los interruptores automáticos activados magnéticamente permiten un paso más en la dirección de la integración funcional completa. Con el apropiado
software y los sensores de corriente y voltaje necesarios, ahora es posible la integración directa de las funciones de protección en el sistema de control del interruptor automático.

Esto hace que el interruptor automático sea un dispositivo totalmente automatizado para las funciones de protección y conmutación y logre el objetivo de máxima confiabilidad, el resultado de la minimización de las interfaces de los componentes. Ya se ha demostrado que esta integración total de las funciones centrales en la aparamenta es el camino correcto a seguir en las aplicaciones de distribución secundaria de media tensión, así como ya es el estado actual de la técnica en el campo de los equipos de baja tensión.

Tipos principales de interruptores, disyuntores o breakers en media tension

Diferencia técnica entre los interruptores SF6 vs Vacio

Resistencia eléctrica y mecánica

Tanto los interruptores automáticos de SF6 como los de vacío pueden considerarse libres de mantenimiento.
Los interruptores automáticos SF6 de alta calidad, así como los interruptores automáticos de vacío de alta calidad, cumplen los requisitos para los interruptores automáticos de clase B que se establecen en la norma IEC 60056 [3]. Esta establece que:

“Un disyuntor de clase B es un disyuntor diseñado para no requerir el mantenimiento de las partes de interrupción durante la vida operativa esperada del disyuntor, y solo un mínimo mantenimiento de sus otras partes”.

Con base en la experiencia de servicio, el estándar IEC se establece el número de operaciones que un interruptor debe ser capaz de realizar bajo las severas condiciones de servicio asociadas con una red conectada a la línea aérea e incluyendo el servicio de reenganche automático.

El estándar prescribe dos ciclos de prueba alternativos para la verificación del rendimiento de resistencia eléctrica de un interruptor automático. El ciclo de prueba de acuerdo con la Lista 1 es el preferido; El ciclo de prueba de la Lista 2 puede aplicarse como una alternativa válida para los interruptores automáticos para su uso en sistemas con conexión a tierra sólida. El nivel de gravedad de estos dos ciclos de prueba se considera idéntico.

Fiabilidad de los medios dieléctricos

Los interruptores automáticos de vacío y SF6 modernos están sellados de por vida; Por lo tanto, no son necesarios sistemas de diagnóstico para medir la presión del gas o el nivel de vacío.

Conmutación de sobretensiones

Las sobretensiones de conmutación generadas por los interruptores automáticos que utilizan cualquiera de las tecnologías están contenidas dentro de límites que no presenten ningún peligro para los equipos o instalaciones conectados.

Debido a sus características de interrupción inherentemente suaves, los interruptores automáticos SF6 ofrecen este nivel de rendimiento sin la necesidad de dispositivos adicionales.

Los interruptores automáticos de vacío que usan materiales de contacto modernos también exhiben bajas corrientes de corte; sin embargo, en casos excepcionales, y dependiendo de las características de la instalación individual, un estudio detallado de los parámetros del sistema pueden ser necesarios para determinar si se requieren dispositivos de limitación de voltaje específicos.

Impacto medioambiental

El funcionamiento de cualquier tipo de interruptor automático no presenta riesgos para la salud del personal. En el improbable caso de un mal funcionamiento importante, las válvulas de compresión incorporadas en los interruptores automáticos SF6 responderían, mientras que los interruptores automáticos de vacío estarían sujetos a nada más que fenómenos de implosión.

La experiencia también ha demostrado que cualquier producto de emisión de cualquier tipo de interruptor automático no constituye un peligro tóxico. Los materiales componentes de ambos tipos de aparatos pueden reciclarse fácilmente al final de su vida útil.

Ventilación en subestaciones de Media tensión y alta tensión

El Protocolo de Kyoto de la Convención Marco de las Naciones Unidas sobre el Cambio Climático (10 de diciembre de 1997) ha establecido que las emisiones de seis gases que se consideran una posible causa del calentamiento global, entre ellos el SF6, deben reducirse. Por lo tanto, era necesario analizar las emisiones de gases de efecto invernadero (es decir, SF6 y CO2) que se producen como una consecuencia del proceso de fabricación y las pérdidas de potencia en servicio.

La evaluación del ciclo de vida (LCA) que se realizó posteriormente para los interruptores automáticos de vacío y SF6 lleva a las siguientes conclusiones, que son sustancialmente las mismas para ambos tipos de equipos.

El impacto de las fases de fabricación y servicio se debe considerar por separado. La consideración del interruptor automático SF6 muestra que el impacto ambiental durante toda la fase de fabricación es más de 100 veces mayor que el impacto ambiental de la unidad durante un ciclo de vida total de 30 años debido al hecho de que los interruptores SF6 de media tensión están sellados de por vida.

La producción de cobre y componentes aislantes del interruptor automático es el factor que más contribuye al impacto ambiental durante la fase de fabricación.

En cuanto al impacto ambiental durante el servicio, basado en una vida útil de 30 años y una corriente de carga promedio del 20% de la corriente nominal, se puede calcular que la fase de servicio tiene un efecto de calentamiento ambiental de más de 7 a 8 veces mayor que causado durante la fase de fabricación. Esto se debe a las pérdidas de resistencia en el interruptor automático.

El análisis muestra que el impacto ambiental del gas SF6 en sí mismo, en relación con el impacto del aparato completo durante su ciclo de vida completo, es solo de aproximadamente el 0.1% del total. Al considerar los interruptores automáticos de vacío, es evidente que debido a la cantidad de cobre y al número de componentes aislantes, así como a la resistencia del circuito principal, los resultados son muy similares a los del interruptor automático SF6.

Considerando solo el efecto del calentamiento global, se puede concluir que el impacto está determinado esencialmente por las pérdidas de potencia del circuito principal. Sin embargo, estas pérdidas son totalmente insignificantes en comparación con las causadas por los cables, las conexiones y todos los demás aparatos que conforman el sistema de distribución eléctrica.

Aplicaciones de conmutación específicas SF6 vs Vacio

Líneas aéreas y cables

Cuando se aplica a la tarea onerosa de conmutar y proteger las redes de distribución de líneas aéreas, en las que las corrientes de falla se distribuyen en todo el rango de corriente, ambas tecnologías proporcionan márgenes adecuados por encima del máximo requerido por las normas pertinentes y en la práctica normal del servicio.

Interruptores o disyuntores de Vacio, características, operación, ventajas y desventajas
Reconectador
Reconectador

Transformadores

Los interruptores automáticos de vacío modernos, así como los interruptores automáticos SF6, son adecuados para conmutar las corrientes de magnetización de los transformadores descargados con sobretensiones inferiores a 3.0 pu.

En casos especiales, por ejemplo, cuando se utilizan interruptores automáticos de vacío para conmutar transformadores de tipo seco en instalaciones industriales, se recomienda el uso de pararrayos.

Motores

Al elegir los interruptores automáticos para el servicio de cambio de motor, se debe prestar atención a los problemas de sobretensiones durante el funcionamiento. El límite objetivo para sobretensiones de menos de 2.5 pu se puede obtener con ambas tecnologías.

Cuando se utilizan interruptores de vacío para conmutar motores pequeños (corrientes de arranque de menos de 600 A), pueden ser necesarias medidas para limitar las sobretensiones debido a múltiples reencendidos; sin embargo, la probabilidad de que surja este fenómeno es baja.

Bancos de condensadores

Ambas tecnologías son adecuadas para la conmutación de condensadores sin reinicio de bancos. Cuando los condensadores se deben conmutar de forma consecutiva, pueden ser necesarios reactores para limitar las corrientes de entrada.

El control síncrono de los interruptores automáticos es una solución efectiva a este problema. SF6 se recomienda específicamente para aplicaciones con tensiones nominales superiores a 27 kV.

Hornos de arco

La conmutación del horno de arco a menudo se caracteriza por un funcionamiento frecuente a altos valores de corriente e intervalos cortos.

Los interruptores automáticos de vacío son particularmente adecuados para estas condiciones de servicio.

Reactores de derivación “Shunt reactors”

Los interruptores automáticos SF6 son adecuados para la conmutación con sobretensiones generalmente inferiores a 2.5 pu. Cuando se emplean interruptores de circuito de vacío, puede ser necesario bajo ciertas circunstancias tomar medidas adicionales para limitar las sobretensiones.

Reactores de derivación "Shunt reactors"
Reactores de derivación “Shunt reactors”

Tracción ferroviaria

En principio, ambas tecnologías de interrupción son adecuadas para este deber; sin embargo, en el caso de aplicaciones de baja frecuencia (p. ej., 16,67 Hz), se recomiendan los interruptores automáticos de vacío.

Conclusión comparación SF6 vs Vacio

Treinta años de experiencia en el desarrollo, fabricación y comercialización de interruptores automáticos de media tensión de SF6 y de vacío en todo el mundo han arrojado una amplia evidencia de que ninguna de las dos tecnologías es generalmente mejor que la otra, y especialmente que son complementarias desde el punto de vista de la aplicación.

Los factores económicos, las preferencias de los usuarios, las “tradiciones” nacionales, la competencia y los requisitos especiales de cambio son los impulsores de decisión que favorecen una u otra tecnología.

Típico de tales aplicaciones especiales es la conmutación de transformadores de tipo seco, motores de pequeño tamaño, condensadores, hornos de arco, reactores de derivación y sistemas de tracción ferroviaria.

La necesidad de “conmutación frecuente” o “conmutación suave” puede ser un elemento adicional que influya en la elección. En tales casos, puede ser necesario un estudio exhaustivo de la instalación planificada para encontrar la mejor respuesta.


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Referencia: ABB, articulo: SF6 o Vacio? Elegir el adecuado interruptor automático MV


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