interruptor de vacío

En ingeniería eléctrica , un interruptor de vacío es un conmutador que utiliza contactos eléctricos en el vacío. Es el componente principal de los interruptores automáticos de media tensión, de generadores y de alta tensión. La separación de los contactos eléctricos produce un arco de vapor metálico que se extingue rápidamente. Los interruptores de vacío se utilizan ampliamente en sistemas de transmisión de energía eléctrica, unidades de generación de energía , sistemas de distribución de energía para ferrocarriles , hornos de arco y  plantas industriales .

Dado que el arco eléctrico se encuentra confinado dentro del interruptor, los interruptores de vacío son mucho más compactos que los que utilizan aire, hexafluoruro de azufre (SF₆ ₎ o aceite como medio de supresión de arco. Los interruptores de vacío se pueden usar para interruptores automáticos y conmutadores de carga. Los interruptores automáticos de vacío se utilizan principalmente en el sector eléctrico, en subestaciones y centrales de generación, mientras que los interruptores de vacío para conmutación de carga se utilizan para los usuarios finales de la red eléctrica .

El uso del vacío para la conmutación de corrientes eléctricas se originó a partir de la observación de que un espacio de un centímetro en un tubo de rayos X podía soportar decenas de miles de voltios . Si bien algunos dispositivos de conmutación por vacío fueron patentados durante el siglo XIX, no estaban disponibles comercialmente. En 1926, un grupo liderado por Royal Sorensen en el Instituto Tecnológico de California investigó la conmutación por vacío y probó varios dispositivos; se estudiaron aspectos fundamentales de la interrupción del arco en el vacío. Sorensen presentó los resultados en una reunión de la AIEE ese mismo año y predijo el uso comercial de los interruptores. En 1927, General Electric adquirió los derechos de patente y comenzó el desarrollo comercial. La Gran Depresión y el desarrollo de los interruptores de potencia llenos de aceite provocaron que la empresa redujera el trabajo de desarrollo, y se realizó poco trabajo comercialmente importante en interruptores de potencia por vacío hasta la década de 1950. ^{[ 1 ]}

En 1956, Hugh C. Ross, de Jennings Radio Manufacturing Corporation, revolucionó el interruptor de vacío de circuito de alta frecuencia y produjo un interruptor de vacío con una clasificación de 15 kV a 200 A. Cinco años después, Thomas H. Lee, de General Electric, produjo los primeros interruptores de circuito de vacío ^{[ 2 ] [ 3 ]} con una tensión nominal de 15 kV y corrientes de ruptura de cortocircuito de 12,5 kA. En 1966, se desarrollaron dispositivos con una tensión nominal de 15 kV y corrientes de ruptura de cortocircuito de 25 y 31,5 kA. Después de la década de 1970, los interruptores de vacío comenzaron a reemplazar a los interruptores de aceite mínimo en los cuadros de distribución de media tensión. A principios de la década de 1980, los interruptores y disyuntores de SF6 también fueron reemplazados gradualmente por la tecnología de vacío en aplicaciones de media tensión.

En 2018, un interruptor de vacío alcanzó los 145 kV con una capacidad de cortocircuito de 200 kA. ^{[ 4 ]} En 2019, un equipo de investigación en China probó un interruptor de vacío de alta tensión con 12 interruptores, para una tensión nominal de 363 kV y una capacidad de cortocircuito de 63 kA. ^{[ 5 ]}

Los interruptores de vacío se pueden clasificar por tipo de carcasa, por aplicación y por clase de voltaje.

Los interruptores de vacío experimentales, de radiofrecuencia y los primeros interruptores de vacío para conmutación de potencia tenían carcasas de vidrio. Más recientemente, los interruptores de vacío para cuadros eléctricos se fabrican con envolturas de cerámica .

Entre sus aplicaciones y usos se incluyen disyuntores, disyuntores para generadores, interruptores de carga, contactores de motor y reconectadores . También se fabrican interruptores de vacío de uso especial, como los que se utilizan en cambiadores de tomas de transformadores o en hornos de arco eléctrico .

Las investigaciones realizadas a principios de la década de 1990 permitieron el uso de la tecnología de conmutación por vacío en aplicaciones de generadores. Estas aplicaciones son conocidas por las mayores exigencias que imponen a los dispositivos de interrupción, como la alta corriente de falla con alta asimetría o la alta y pronunciada tensión de recuperación transitoria. La norma IEC/IEEE 62271-37-013 (anteriormente y aún vigente IEEE C37.013, 1997) se introdujo para abordar estos requisitos en los interruptores automáticos utilizados en generadores.

Los interruptores automáticos de vacío pueden calificarse como interruptores automáticos de generador (GCB) según la norma IEC/IEEE 62271-37-013. En comparación con los interruptores automáticos que utilizan otros medios de extinción (como SF6, aire comprimido o aceite mínimo), los interruptores automáticos de vacío presentan las siguientes ventajas:

• Gran capacidad de recuperación, eliminando la necesidad de condensadores para reducir la pendiente de la tensión de recuperación transitoria (como se requiere en la mayoría de los interruptores de circuito de generadores SF6);
• Alta durabilidad mecánica y eléctrica con un número y frecuencia significativamente mayores de posibles operaciones de conmutación sin mantenimiento; y
• Respeto al medio ambiente al no utilizar _SF6 .

Los interruptores de circuito de gas de vacío son adecuados para servicios de conmutación frecuentes y para interrumpir corrientes de baja frecuencia como las que se encuentran en las centrales hidroeléctricas de bombeo . ^{[ 6 ]}

Un interruptor de vacío generalmente cuenta con un contacto fijo y uno móvil, un fuelle flexible que permite el movimiento de dicho contacto y pantallas de protección contra arcos eléctricos encerradas en una carcasa hermética de vidrio, cerámica o metal con alto vacío . El contacto móvil está conectado al circuito externo mediante una trenza flexible y se mueve mediante un mecanismo cuando se requiere abrir o cerrar el dispositivo. Dado que la presión del aire tiende a cerrar los contactos, el mecanismo de operación debe mantenerlos abiertos contra la fuerza de cierre que ejerce la presión del aire sobre el fuelle.

Contactos

Los contactos, al cerrarse, permiten el paso de la corriente del circuito y, al abrirse, forman los terminales del arco eléctrico. Están fabricados con diversos materiales, según la aplicación y el diseño del interruptor de vacío, para garantizar una larga vida útil de los contactos, una rápida recuperación de la tensión nominal y el control de las sobretensiones provocadas por la interrupción de la corriente.

Un mecanismo de accionamiento externo impulsa el contacto móvil, que abre y cierra el circuito conectado. El interruptor de vacío incluye un manguito guía para controlar el contacto móvil y proteger el fuelle de sellado de la torsión, lo que acortaría drásticamente su vida útil.

Aunque algunos interruptores de vacío tienen contactos a tope simples, generalmente se les da forma con ranuras, crestas o surcos para mejorar su capacidad de interrumpir altas corrientes. La corriente de arco que fluye a través de los contactos moldeados genera fuerzas magnéticas en la columna de arco, lo que provoca que el punto de contacto del arco se mueva rápidamente sobre la superficie del contacto. Esto reduce el desgaste del contacto debido a la erosión causada por el arco, que funde el metal de contacto en el punto de contacto.

Solo unos pocos fabricantes de interruptores de vacío en todo el mundo producen el material de contacto. Las materias primas básicas, cobre y cromo , se combinan para formar el material de contacto mediante un proceso de fusión por arco eléctrico. Los materiales de contacto requieren lo siguiente:

1. Alta capacidad de ruptura: excelente conductividad eléctrica, baja conductividad térmica , mayor capacidad calorífica y baja capacidad de emisión de electrones calientes;
2. Alta tensión de ruptura y resistencia a la erosión eléctrica ;
3. Resistencia a la soldadura;
4. Valor de corriente de corte bajo; y
5. Bajo contenido de gas (especialmente cobre).

En los interruptores automáticos, los materiales de contacto del interruptor de vacío son principalmente una aleación de cobre-cromo 50-50. Se pueden fabricar soldando una lámina de aleación de cobre - cromo en las superficies de contacto superior e inferior sobre un asiento de contacto de cobre libre de oxígeno . Otros materiales, como plata, tungsteno y compuestos de tungsteno, se utilizan en otros diseños de interruptores. Los materiales de contacto del interruptor de vacío influyen considerablemente en su capacidad de interrupción, durabilidad eléctrica y nivel de corte de corriente. La estructura o diseño de contacto de un interruptor de vacío también afecta la capacidad de interrupción y la curva de tensión de ruptura durante el funcionamiento. Las principales estructuras de contacto son el campo magnético radial (RMF), también llamado campo magnético transversal (TMF), el campo magnético axial (AMF) y los discos de contacto (o de forma a tope), con los discos AMF ranurados y desbarbados en el extremo. ^{[ 7 ]}

Un interruptor de vacío utiliza un alto vacío para extinguir el arco eléctrico entre un par de contactos. A medida que los contactos se separan, la corriente fluye a través de un área más pequeña. Se produce un aumento brusco de la resistencia entre los contactos, y la temperatura en la superficie de contacto aumenta rápidamente hasta que se produce la evaporación del metal del electrodo. Al mismo tiempo, el campo eléctrico es muy alto a través del pequeño espacio entre los contactos. La ruptura de este espacio produce un arco eléctrico en el vacío. A medida que la corriente alterna se ve obligada a pasar por cero debido a la resistencia del arco, y el espacio entre los contactos fijos y móviles se amplía, el plasma conductor producido por el arco se aleja del espacio y se vuelve no conductor. La corriente se interrumpe.

Los contactos AMF y RMF presentan ranuras espirales (o radiales) en sus caras. La forma de los contactos genera fuerzas magnéticas que desplazan el punto del arco sobre su superficie, evitando que permanezca en un mismo lugar durante mucho tiempo. El arco se distribuye uniformemente sobre la superficie del contacto para mantener una baja tensión y reducir la erosión.

Los componentes del interruptor de vacío deben limpiarse minuciosamente antes del montaje, ya que los contaminantes podrían liberar gases en la cámara de vacío. Para garantizar una alta tensión de ruptura, los componentes se ensamblan en una sala limpia donde el polvo está estrictamente controlado.

Tras el acabado y la limpieza de las superficies mediante galvanoplastia, y una inspección óptica de la uniformidad superficial de todas las piezas, se procede al ensamblaje del interruptor. Se aplica soldadura al vacío en las uniones de los componentes, se alinean las piezas y se fijan los interruptores. Dado que la limpieza durante el ensamblaje es fundamental, todas las operaciones se realizan en una sala limpia con aire acondicionado. De este modo, el fabricante garantiza una alta calidad constante de los interruptores y una capacidad máxima de hasta 100 kA según la norma IEC/IEEE 62271-37-013.

Los subconjuntos de interruptores de vacío se ensamblaban y soldaban inicialmente en un horno de atmósfera de hidrógeno. Se utilizaba un tubo conectado al interior del interruptor para evacuarlo con una bomba de vacío externa mientras se mantenía a unos 400 °C (752 °F) . Desde la década de 1970, los subcomponentes del interruptor se han ensamblado en un horno de soldadura fuerte de alto vacío mediante un proceso combinado de soldadura fuerte y evacuación. Se procesan decenas (o cientos) de botellas en un solo lote, utilizando un horno de alto vacío que las calienta a temperaturas de hasta 900 °C y una presión de 10⁻⁶ ^mbar . ^{[ 8 ]} De este modo, los interruptores cumplen el requisito de calidad de " sellados de por vida ". Gracias al proceso de producción totalmente automático, la alta calidad se puede reproducir constantemente en cualquier momento.   

Posteriormente, se realiza una evaluación de los interruptores mediante rayos X para verificar la posición y la integridad de los componentes internos, así como la calidad de los puntos de soldadura. Esto garantiza la alta calidad de los interruptores de vacío.

Durante el proceso de conformado, se determina la rigidez dieléctrica interna definitiva del interruptor de vacío mediante un aumento gradual de la tensión, lo cual se verifica posteriormente con una prueba de tensión de impulso de rayo. Ambas operaciones se realizan con valores superiores a los especificados en las normas, como prueba de la calidad de los interruptores de vacío. Este es un requisito indispensable para una larga vida útil y una alta disponibilidad.

Debido a su proceso de fabricación, ^{[ 9 ]} los interruptores de vacío están probados para ser "sellados de por vida". ^{[ 10 ]} Esto evita la necesidad de sistemas de monitoreo o pruebas de estanqueidad como se indica en el párrafo 6.8.3 de la norma IEEE C37.100.1. ^{[ 11 ]}

En determinadas circunstancias, el interruptor de vacío puede forzar la corriente del circuito a cero antes del punto cero natural (y la inversión de la corriente) en el circuito de corriente alterna. Si la sincronización de la operación del interruptor es desfavorable con respecto a la forma de onda de la tensión alterna (cuando el arco se extingue pero los contactos aún se mueven y la ionización aún no se ha disipado en el interruptor), la tensión puede exceder la tensión de resistencia del entrehierro. Esto puede reencender el arco, causando corrientes transitorias abruptas. En cualquier caso, se introduce una oscilación en el sistema que puede resultar en una sobretensión significativa . Los fabricantes de interruptores de vacío abordan estas preocupaciones seleccionando materiales y diseños de contacto para minimizar la interrupción de la corriente. Para proteger los equipos contra sobretensiones, los interruptores de vacío generalmente incluyen pararrayos . ^{[ 12 ]}

Hoy en día, gracias a la muy baja capacidad de interrupción de corriente, los interruptores automáticos de vacío no inducen una sobretensión que pueda reducir el aislamiento de los equipos circundantes.