Technologies for the Utility Industry

34 Revista ABB 3/2002

l campo de los interruptores auto-

máticos para generadores ha

evolucionado rápidamente durante los

últimos 20, desde que en la década de

los ochenta se comercializó el primer

interruptor automático con gas SF6 para

eliminar los arcos eléctricos, hasta los

interruptores más avanzados, descritos

en este artículo, para intensidades de

24.000 A (con refrigeración natural) y de

38.000 A (con refrigeración por ventilación

forzada), capaces de soportar corrientes

Interruptores automáticoscon SF6 para generadorescon corrientes decortocircuito de hasta 200 kALukas Zehnder, Jochen Kiefer, Dieter Braun, Thomas Schoenemann

Los interruptores automáticos

para generadores son los pro-

tagonistas del mundo de los

interruptores, y con razón.

Ya es bastante grave que

se produzca una caída de

hasta 200 kA en cualquier

punto de campo, pero si esto

ocurre cerca del generador,

los efectos pueden ser devas-

tadores: la corriente de fallo

puede ser de tal magnitud que

las fuerzas magnéticas indu-

cidas por ella lleguen a doblar

e incluso a destruir los sólidos

ejes de acero.

Los interruptores automáticos HEC 7/8 con SF6 de ABB, diseñados para este difícil caso,

satisfacen las exigencias de las centrales eléctricas más grandes del mundo.

¿Cómo eliminar una corriente tan alta, que se produce cerca del generador? ¿Cómo

conseguir que el interruptor soporte el arco voltaico generado?

E

Revista ABB 3/2002 35

de cortocircuito de hasta 200 kA de intensi-

dad.

Gracias a dicha evolución, los interrup-

tores automáticos actuales, específicos para

generadores, utilizan el gas SF6 como medio

de eliminación de arcos eléctricos en gene-

radores de hasta 1.500 MW de potencia.

Dominio total de las tareas

Actualmente, todo interruptor automático

ha de realizar varias tareas:

n Sincronizar el generador con el sistema

principal

n Separar el generador del sistema princi-

pal

n Interrumpir corrientes de carga (hasta la

corriente del generador a plena carga)

n Interrumpir las corrientes de cortocircui-

to originadas en el sistema y originadas

en el generador

n Interrumpir las corrientes fuera de fase

(hasta 180°)

Las actuaciones del interruptor automático

para generador han de ser mucho mejores

que las de un interruptor automático de

Media Tensión; la ubicación del interruptor

automático de generador entre éste y el

transformador principal, donde su compor-

tamiento influye directamente en la produc-

ción de la central eléctrica, hace preciso

que su fiabilidad sea extrema.

Asimismo, los actuales elementos de

conmutación de generadores no se limitan

a una mera unidad de conexión-descone-

xión: actualmente, todos los elementos aso-

ciados pueden estar integrados en el habitá-

culo del interruptor automático del genera-

dor. Entre ellos están un seccionador en

serie, seccionadores de puesta a tierra, inte-

rruptor de cortocircuito, transformadores de

intensidad, transformadores de tensión ais-

lados y de un solo polo, condensadores de

protección y dispositivos de protección con-

tra las sobretensiones. Según el tipo de cen-

tral eléctrica es posible integrar también

diversos elementos adicionales, como los

conmutadores de arranque (en centrales

hidráulicas y de turbinas de gas) y los con-

mutadores de parada (en centrales hidráuli-

cas) .

Alta disponibilidad a bajo coste

No es sorprendente que las compañías eléc-

tricas concedan máxima prioridad a contar

en sus centrales con máxima disponibilidad

a mínimos costes. Los modernos sistemas

de interruptores automáticos SF6 para

generadores hacen más fácil alcanzar este

objetivo:

n Las zonas diferenciadas de protección

del generador, el transformador principal y

el transformador de unidad pueden estar

dispuestos para obtener máxima selectivi-

dad.

1

n Las corrientes de cortocircuito originadas

en el generador son interrumpidas durante

un máximo de cuatro ciclos, en lugar de

varios segundos, como ocurre cuando se

emplea un equipo de desexcitación rápida.

n Aumento de la disponibilidad global del

equipamiento auxiliar de la central.

n Con un interruptor automático para

generador, la sincronización de tensión del

generador es substancialmente más fiable

que con un interruptor automático de alta

tensión [1].

n Se prescinde de la conmutación rápida

al suministro auxiliar durante el arranque y

desactivación de la unidad, con las elevadas

corrientes de irrupción y los esfuerzos

resultantes, evitándose así posibles daños

en los motores de accionamiento directo de

bombas, ventiladores, etc.

n La utilización de interruptores automáti-

cos para generador permite obtener directa-

mente y en cualquier momento, esto es,

79 10 11 12 19

18

14151742131613

5/6 8

TG

18

Esquema de conmutación de un generador ABB 1

1 Interruptor automático

2 Seccionador

3, 4 Seccionadores de puesta a tierra

5/6 Conmutador de arranque

(SFC o ’adosado’)

7 Conmutador de cortocircuitado /

Conmutador de parada

8 Conmutador de arranque (’adosado’)

9–12 Transformadores de tensión

13,14 Transformadores de intensidad

15 Dispositivo de protección contra

sobretensiones

16, 17 Condensadores de protección

contra sobretensiones

18 Terminales

19 Carcasa

Technologies for the Utility Industry

36 Revista ABB 3/2002

también durante las fases críticas de activa-

ción y desactivación, el suministro auxiliar

de la planta a partir del sistema de transmi-

sión de Alta Tensión, constituyendo un sis-

tema con una fiabilidad claramente mayor

que la de otras fuentes.

n La rápida interrupción de corrientes de

cortocircuito originadas en el generador

reduce los posibles daños causados por los

fallos y acorta el tiempo necesario para las

reparaciones.

La mayor disponibilidad de la central y el

aumento de beneficios para las compañías

hacen de los actuales interruptores automá-

ticos de generador una excelente inversión,

amortizable, en general, en muy poco tiem-

po.

El interruptor automático

Además de conducir e interrumpir la

corriente de funcionamiento de la planta, el

interruptor automático –una cámara rellena

con gas SF6 a presión– tiene la función de

interrumpir las corrientes alternas de fallo,

por ejemplo corrientes de cortocircuito de

cinco a diez veces más grandes que la

nominal, en apenas 50 milisegundos.

La cámara a presión donde tiene lugar

la interrupción de la corriente consiste

básicamente en dos carcasas metálicas, que

actúan también como conductores, y el

aislador.

87

4

1 5

6

2

310

9

13 12

11

Sección transversal de la cámara

de cebado con el contacto cerrado

1 Carcasa

2 Sistema de contacto principal

3 Sistema de cebado

(pieza segmentada)

4 Sistema de cebado (pin)

5 Aislador

6 Pistón/Pistones

7 Engranajes

8 Accionamiento

9 Vano vacío de calentamiento

10 Volumen de calentamiento

11 Canales de retorno de gas

12 Válvula de protección contra

sobrepresión

13 Válvulas antirretorno

2

3

4

12

t3t2t1

Movimientos de contactos y corriente frente a la curva de tiempo 3

1 Movimiento de contacto de cebado

2 Movimiento del contacto principal

3 Curva de corriente

4 Tensión a través del interruptor

automático

5 Fase de formación de la presión

6 Arco eléctrico extinguido a corriente

cero

t1 Accionamiento cortado

t2 Separación del sistema de contacto

principal

t3 Separación del sistema de contacto

de cebado

t4 Arco voltaico extinguido a corriente

cero

Revista ABB 3/2002 37

Los dos sistemas de contacto –el sistema

de contacto principal y el de contacto de

arco–, así como los pistones concéntricos

de soplado, están acoplados al engranaje

interno que se encuentra conectado con un

accionamiento de alta velocidad situado en

el exterior de la cámara.

El engranaje ha sido diseñado para que,

durante la interrupción, el sistema de

contacto principal se separe unos pocos

milisegundos antes que el sistema de ceba-

do, asegurando así que este interrumpe el

flujo de corriente. El arco eléctrico, genera-

do al cortarse el sistema de cebado, queda

roto y se extingue en el momento en que la

corriente alterna pasa por el valor nulo .

El proceso de contacto tiene lugar a la

inversa: la tensión creciente produce un

arco eléctrico en el sistema de cebado, que

se cierra justo antes de producirse el con-

tacto; a continuación, el sistema de contacto

principal se cierra para conducir toda la

corriente.

Principio de extinción del arco

Al igual que las versiones menores (véase

Tabla), el HEC 7/8 extingue el arco según

el principio de autosoplado, es decir, que la

energía necesaria para que el flujo de gas

extinga el arco se obtiene del arco mismo.

La energía liberada durante la genera-

ción del arco produce un gran aumento,

súbito, de la presión y temperatura en la

zona. El calor de convección y radiación del

arco produce un rápido aumento de la pre-

sión en el volumen ‘de calentamiento’ situa-

do entre el sistema de cebado y el pistón

. El gas caliente sale despedido de este

volumen y extingue el arco en el momento

en que la corriente alterna toma el valor

nulo.

Otro factor de aumento de la presión es

el efecto de compresión del campo magné-

4

3

tico, en el interior del arco, que se manifies-

ta como fuerza que actúa hacia el centro de

la trayectoria del arco. Esta fuerza magnéti-

ca, generada eléctricamente, provoca a su

vez un fuerte flujo axial fuera del arco, bási-

camente un chorro de plasma que sale des-

pedido y se dirige en parte al volumen de

calentamiento .

Cuando circulan corrientes muy altas en

el momento de la interrupción, el incremen-

5

to de la presión puede ser muy grande.

Para evitar los posibles daños mecánicos se

libera presión por una válvula especial con-

tra las sobrepresiones. Esta ha sido diseña-

da conjuntamente con ABB Corporate Rese-

arch como parte de un programa experi-

mental de medición del aumento de presión

en el volumen de calentamiento, en los

recorridos de reflujo y en el flujo mismo de

plasma.

Sección transversal de la cámara de cebado con los recorridos del flujo de gas

caliente (flechas) durante la fase de formación de la presión (izquierda) y el paso de la

intensidad por el valor nulo (derecha).

4

Forma geo-

métrica (arriba),

imagen (centro) y

simulación de

flujo (abajo) de un

chorro de plasma

con zonas some-

tidas a choque.

El chorro de

plasma se genera

en la zona de

cebado (esquina

izquierda) y gol-

pea la válvula

de protección

contra sobrepre-

sión (esquina

derecha).

5

Technologies for the Utility Industry

38 Revista ABB 3/2002

La energía, relativamente baja, del arco y

las pequeñas corrientes no bastan para

generar una presión con efecto soplador

significativo. Aquí entra en acción el pistón

de montaje concéntrico: soportando la acu-

mulación de presión en el volumen de

calentamiento, contribuye a garantizar la

seguridad del soplado y por tanto la extin-

ción del arco.

Paso por el valor nulo

Poco antes de que la corriente alterna

pase por el valor cero, la sección transversal

del arco y la presión y calentamiento en

la zona de éste disminuyen significativa-

mente.

Si el contacto se separa justo antes de

que la corriente pase por cero, la acumula-

ción de presión en el volumen de calenta-

miento puede ser insuficiente para extinguir

el arco. En este caso, el interruptor automá-

tico espera medio ciclo hasta que la corrien-

te pase de nuevo por el valor cero, tiempo

suficiente para alcanzar la presión necesa-

ria.

Situación crítica

Se puede decir que la acción tiene lugar,

literalmente, en el sistema de contacto del

arco. Dado que tiene que soportar intensi-

dades de pico de hasta 600 kA, el sistema

ha de estar diseñado para satisfacer un con-

junto de requisitos nada habitual:

n Una reserva de material suficiente para

permitir la ablación durante toda la vida útil

del dispositivo, teniendo en cuenta que ha

de soportar las extremas condiciones del

plasma.

n El menor grado posible de ablación de

metal para minimizar la emisión de conta-

minantes y la correspondiente degradación

del gas aislante.

n Estabilidad mecánica frente a las grandes

fuerzas electrodinámicas y de conmutación.

n Óptima fuerza de contacto en todo el

rango de intensidades mediante un cuidado

equilibrio de los recorridos de corriente,

antiparalelos (de repulsión) y paralelos (de

atracción).

n Garantía de una baja resistencia eléctrica

y de una alta conductividad térmica.

El propio contacto consta de una barra cen-

tral sujeta por ‘dedos’ segmentados. En

se muestra la construcción de uno de estos

dedos. El material utilizado para la base

6

Especificaciones técnicas de los interruptores automáticos ABB SF6 para generadores

Tipo HGC 3 HEC 3/4 HEC 5/6 HEC 7/8

Tensión nominal 21 kV 25 kV 25 kV 30/25 kV

máxima

Frecuencia nominal 50/60 Hz 50/60 Hz 50/60 Hz 50/60 Hz

Intensidad nominal continua:

n con refrigeración Hasta 7.700 A Hasta 13.000 A Hasta 13.000 A Hasta 24.000 A

natural

n con refrigeración por No aplicable Hasta 24.000 A Hasta 24.000 A Hasta 38.000 A

ventilación forzada

Intensidad nominal 63 kA 100 kA 120 kA 160/200 kA

de cortocircuito

Norma IEEE C37.013 IEEE C37.013 IEEE C37.013 IEEE C37.013

‘Dedo’ del sistema de contacto de

cebado segmentado

1 Reborde

2 Dedo de contacto

3 Pieza de conexión

4 Extremo resistente a los arcos

voltaicos

6

1

2

3

4

Revista ABB 3/2002 39

(1, 2) es una aleación elástica de cobre

(CuCrZr), mientras que en el extremo resis-

tente al arco (4) se utiliza un compuesto de

wolframio y cobre. La unión entre la base y

dicho extremo también es de cobre (3).

Consideraciones térmicas

El diseño térmico del sistema de interruptor

parte de la hipótesis de flujo de una

corriente constante de valor nominal en un

entorno a 40ºC. Para los puntos calientes se

admite una temperatura máxima de 105°C

en los contactos recubiertos de plata; las

piezas externas con las que se puede entrar

en contacto físico no podrán superar los

70ºC (en algunos casos 80ºC).

El diseño, encapsulado, tiene la ventaja

de encerrar tanto la corriente del conductor

interno como la trayectoria del flujo de

corriente de retorno. Como estas están a

180ºC fuera de fase, la fuerza externa del

campo, y por tanto la generación externa

de calor, se reducen considerablemente.

Al analizar la distribución de la corrien-

te, para determinados componentes se ha

hecho un análisis bidimensional de elemen-

tos finitos con el fin de establecer cuales

son las zonas de alta tensión y con grandes

pérdidas, así como el grado en que el efec-

to superficial obstaculiza el flujo de corrien-

te a las distintas frecuencias.

Para hacer más preciso el modelo, la

verificación física se ha hecho de acuerdo

con un proceso de iteración, obteniéndose

la sección transversal óptima del conductor

y una disposición del sistema óptima desde

el punto de vista térmico.

Una serie de aletas, de diseño especial,

situadas en torno al alojamiento del inte-

rruptor , aumentan la superficie de este

y contribuyen a liberar mayor cantidad de

calor. La refrigeración por ventilación forza-

da, que mejora la disipación del calor por

7

convección, permite aumentar la intensidad

nominal, de 24 kA con refrigeración natural,

hasta los 38 kA.

Material aislante

Un proyecto de colaboración entre ABB

Corporate Research y la compañía suiza

Vantico ha logrado desarrollar una resina

epoxídica capaz de soportar 105°C durante

30 años [2]. Las dimensiones de este aisla-

dor son notables, ya que su diámetro es de

1 metro .

Puesta a prueba

Una cosa es fabricar un interruptor automá-

tico que soporte miles de kiloamperios y

otra es ponerlo a prueba adecuadamente.

Afortunadamente, ABB cuenta en Suiza con

laboratorios propios donde pueden generar-

se corrientes de cortocircuito de hasta 450

kA. Dado que para el HEC 7/8 se habían

7

especificado valores pico de hasta 600 kA,

se realizaron otros ensayos, que tuvieron

lugar en el laboratorio KEMA de ensayos de

alta potencia , en la ciudad holandesa de

Arnhem, cuyas instalaciones permiten reali-

zar ensayos con la mayor potencia del

mundo.

Para apreciar mejor la escala de los

ensayos realizados en KEMA conviene indi-

car que en ellos participó un equipo de

ocho personas de ABB, que trabajaron en

Arnhem durante más de tres meses, y preci-

saron nada más y nada menos que cinco

grandes camiones de equipamiento.

Los ensayos, realizados a 160 kA y

30 kV, finalizaron en mayo de 2000. El obje-

tivo, trabajar con mayores valores de la

tensión, hizo necesario realizar análisis

completos y trabajos de simulación; el tra-

bajo culminó en otoño de 2001 con la

realización de un nuevo conjunto de prue-

9

Carcasa del seccionador7

Technologies for the Utility Industry

40 Revista ABB 3/2002

bas en KEMA, esta vez a 190 kA para 27,5

kV y a 200 kA para 25,0 kV. Estos valores

coinciden prácticamente con los del inte-

rruptor automático DR para generadores,

con presión de aire, que hasta ahora ha

venido dominando este campo de aplica-

ción y que ya ha dejado de fabricarse.

Como conclusión de estos ensayos se

puede afirmar con razón que HEC no solo

es el mayor interruptor automático SF6 del

mundo, sino además el mejor y el que ha

superado las pruebas más rigurosas.

Fiabilidad

Evidentemente, la fiabilidad es fundamental

para los generadores de gama superior.

Considerando este hecho se aplicó una

metodología de análisis de fallos, perfeccio-

nada en los años sesenta para la industria

aerospacial, con la que se establecieron

medidas para garantizar la máxima fiabili-

dad posible. Más tarde, ABB adoptó las mis-

mas medidas en sus instalaciones de fabri-

cación de interruptores automáticos.

De nivel mundial

Los interruptores automáticos destinados a

los mayores generadores del mundo han de

tener un diseño técnico de primera clase. La

fructífera colaboración entre numerosas uni-

dades de investigación y desarrollo distin-

tas, contando también con asociados exter-

nos, ha creado un ambiente muy favorable

a la innovación y ha favorecido la consecu-

ción de importantes avances.

HEC 7/8 cumple sobradamente las

expectativas del mercado de generadores y,

así, ha demostrado ser no solo el mayor

interruptor automático SF6 del mundo sino

también el mejor, ya que ningún otro has

superado pruebas tan estrictas. Además, el

dispositivo ha establecido un nuevo están-

dar económico que garantizará su competi-

tividad.

Ensayo de tipo en el laboratorio KEMA de ensayos a alta potencia8

Bibliografía[1] I. M. Canay, D. Braun. G. S. Köppl: Delayed current zeros due to out-of-phase synchronizing. IEEE Transactions on Energy Conversion,

13 (1998) 2, 124–132.

[2] K. Guzek, M. Claessens, S. Förster: Starker Schalter. ‘akzent’, ABB Switzerland journal, December 2000.

Autores

Dr. Lukas ZehnderDr. Jochen KieferDieter BraunDr. Thomas SchoenemannABB Switzerland Ltd.Hig Current Systems PTHGCH-8050 ZúrichSuizathomas.schoenemann@ch.abb.com