Introducción de los interruptores de vacío
Históricamente, el idea de los interruptores de vacío se remonta a la década de 1920 cuando Sorensen y Mendenhall en el Instituto Tecnológico de California comenzaron a investigar el concepto de interrupción de la corriente de cortocircuito en un medio de vacío. Realizaron un experimento colocando dos contactos fijos y un contacto móvil en forma de C en una envoltura de vidrio y utilizaron un actuador magnético para accionar el contacto móvil, probado a ~15kV. Pero fue en la década de 1950 que su fabricación comercial comenzó cuando General Electricals USA desarrolló el Interruptor de Vacío de Contacto de Control de Arco de Pétalos en Espiral. Desde entonces se ha investigado mucho en el campo de los interruptores al vacío para producir interruptores de bajo costo y bajo mantenimiento interruptores de circuito de vacío, interruptores y reconectadores que se emplearán a nivel medio y alto voltajes. En las siguientes secciones, estudiaremos los fundamentos de arco de vacío y su interrupción, diseño y aplicaciones de la tecnología de interruptores de vacío y sus limitaciones.
El fenómeno del arco voltaico y su interrupción
Formación del arco
A medida que los contactos se separan, se produce una secuencia de eventos que eventualmente construye la arc entre los huecos. Podemos explicar esto de la siguiente manera. A medida que los contactos se separan, el área de contacto real entre los electrodos disminuye, de modo que la resistencia de contacto se eleva, lo que aumenta el calentamiento del punto de contacto. El punto se derrite y se forma un inestable puente de metal fundido entre los contactos y eventualmente el puente se rompe. En este momento se forma un arco con el vapor de metal y se mantiene entre los contactos. Los modos de arco son de dos tipos:
Arco difuso de corriente baja
Para corrientes hasta 5kA, el arco de vacío se caracteriza por un conjunto difuso de corrientes.
Arco Columnar de Alta Corriente
Para las corrientes superiores a 5kA, se forma una única columna de arco de alta presión similar al arco en el medio aéreo.
Interrupción del arco
En la corriente natural cero los vapores metálicos se condensan rápidamente y se recombinan en los contactos así como en las superficies de los escudos y comienzan a recuperar la condición de vacío. La recuperación completa se puede obtener en microsegundos de la corriente cero. El circuito se interrumpe con éxito si la fuerza dieléctrica excede el circuito aplicado voltaje.
Diseño del Interruptor de Vacío
El sección transversal de un interruptor de vacío se muestra en la figura 1.1. Consiste en un contacto fijo en el que un electrodo de cobre se endurece en una placa final mientras que el contacto móvil está unido a la otra placa final por un fuelle. La cámara de vacío cilíndrica está hecha de cerámica de alúmina. Los extremos de la cámara están metalizados. Un escudo metálico de condensación de vapor alrededor de los contactos evita que la superficie de la cerámica se recubra. La cámara está sellada herméticamente para mantener el vacío.
Teniendo en cuenta las consideraciones de la actual y el voltaje a interrumpir, para asegurar una mínima erosión del metal y para minimizar el calentamiento local hay tres diseños principales para hacer contactos del interruptor de vacío que se indican a continuación :
- Contactos de tope (para el arco de baja corriente).
- Contactos de campo magnético espiral o transversal (TMF) (para arco de alta corriente).
- Contactos de campo magnético axial (AMF) (para arco de alta corriente).
Los materiales de contacto están normalmente hechos de aleaciones de cobre como Cr-Cu, Cu-Bi, Cu-Ag, etc. La representación pictórica de las diferentes estructuras de contacto se muestra en la figura 1.2.
Aplicaciones de los Interruptores de Vacío
Los interruptores de vacío se emplean principalmente en los equipos de conmutación de media tensión (1. 5-38kV). En los últimos años los investigadores han podido implementar con éxito 145kV interruptor de circuito de vacío se muestra a continuación. Los interruptores que emplean interruptores de vacío pueden emplearse en las siguientes categorías :
- Interruptores de circuito.
- Conmutación del banco de capacidad.
- Reconectadores automáticos.
- Contactores.
- Cambio de carga.
- Conmutación de corriente inductiva.
Limitaciones del uso de la tecnología de interrupción de vacío
En los últimos años, la tecnología de los interruptores de vacío se ha convertido en una opción importante en los sistemas de energía. Esto se debe a que aunque el SF6 tiene una mejor capacidad de apagado de arco, ahora se considera una amenaza ambiental ya que se lo identifica como uno de los principales gases de calentamiento global. Por lo tanto, la tecnología de interruptores al vacío se convierte en una alternativa ecológica. Sin embargo, el coste y los requisitos técnicos se convierten en factores determinantes a la hora de seleccionar la tecnología de vacío sobre la SF6 y contrapartes de cambio de aire. Podemos explicar esto de la siguiente manera:
- En baja voltaje de las aplicaciones, la tecnología de conmutación de aire se hace más adecuada debido al menor costo del equipo de conmutación de aire.
- Mientras que en las aplicaciones de alto voltaje el rendimiento del SF6 se hace superior a la tecnología de vacío.
- La principal dificultad que afronta la tecnología del vacío son los interruptores físicamente grandes, que son pesados y plantean problemas de manipulación y mantenimiento, así como de costo.
- Además, los materiales de contacto deben ser optimizados para su uso a altos voltajes.
Conclusión
El tecnología de interruptores de vacío es un sustituto respetuoso con el medio ambiente de la SF6 pero su uso está restringido a los voltajes medios debido al costo y a las limitaciones tecnológicas. Investigaciones recientes han sido capaces de implementar interruptores de circuito de vacío a altos voltajes, pero la creciente demanda de energía requiere de tecnologías mejoradas para poder implementar ampliamente la tecnología de los interruptores de vacío.
