Protecciones Eléctricas - Interruptores de Poder

Protecciones Eléctricas – Escuela Universitaria de Ingeniería Eléctrica y Electrónica UTA 1
Ildefonso Harnisch Veloso
Arica-Chile
Protecciones Eléctricas
3. Interruptores de poder
UNIVERSIDAD DE TARAPACÁ
Escuela Universitaria de
Ingeniería Eléctrica-Electrónica
Interruptor de Poder
Conectar, mantener conectado y
desconectar un circuito bajo condiciones
normales y anormales mediante contactos
separables en un ciclo dado.
Permite aislar el
punto de falla
Objetivo
Opera bajo el control
de la protección
Interruptor de Poder
Introducción
ü El principio básico de todos los interruptores es el mismo de los domésticos. Un contacto
fijo y uno móvil, que se puede desplazar con rapidez, creando una separación no conductora
entre ambos.
ü La separación se logra usualmente mediante la acción de un resorte previamente
comprimido.
ü Al comenzar la separación de los contactos, disminuye la superficie de contacto. Aumenta
la densidad de corriente y, consecuentemente, la temperatura del material.
ü El ambiente en torno del último punto de contacto se calienta fuertemente, creándose
temperaturas superiores a los 3000 º K.
ü A esta temperatura, se ioniza el gas circundante, permitiendo así el paso de la corriente, a
pesar del espacio físico que se empieza a crear.
ü La propia corriente mantiene la temperatura necesaria para conservar el arco.
ü La inercia térmica de la columna ionizada mantiene un ambiente propicio para que le arco
se mantenga, a pesar que la corriente cruza por cero periódicamente.
ü La impedancia del arco es tipo resistiva.
Interruptor de poder
Circuito de control
Componentes del interruptor
Contactos principales
Contactos auxiliares
Cámara de extinción
Para Comandar el interruptor
Apertura o cierre del interruptor
Permiten reflejar, hacia los centros de
control y hacia la protección misma el
estado del interruptor (verificar si el proceso
fue correcto o en caso contrario, enviar
señales de operación hacia otros
interruptores)
Diseño adecuado y con un ambiente
de alta rigidez dieléctrica para
extinguir el arco.

Rapidez de
separación de los
contactos principales
Características fundamentales del interruptor
Capacidad de
interrupción
• Minimizar tiempo de apertura. Separación
inicial de los contactos no implica la inmediata
apertura del circuito (arco).
• La interrupción se produce en el primer cruce
por cero de la corriente, pero, si en ese
instante la separación de los contactos no es
suficiente, el voltaje entre ellos hace que el
arco se establezca nuevamente.
• Normalmente la interrupción definitiva se
produce en el segundo o tercer paso de la
corriente por cero.
• Garantizar la interrupción de la
máxima corriente de cortocircuito.
• Depende de la capacidad del medio
dieléctrico para enfriar el arco.
• En AT se aumenta mediante cámaras
de extinción en serie.
Tipos de interruptores de poder
Interruptores en aceite
Interruptores de aire
Interruptores en gas - SF6
Interruptores en vacío
CB 52
= : Interruptor de poder
Interruptores de poder
SF6
Vacío
Aceite SF6
Interruptores en aceite
Gran volumen de aceite
ü Los contactos se desplazan dentro de un
tanque lleno con aceite mineral.
ü El aceite sirve de aislante entre el tanque
puesto a tierra y los contactos que se hallan a
la tensión de línea (tanque muerto).
ü También sirve como refrigerante para
extinguir el arco. El calor del arco evapora el
aceite que lo rodea, produciendo hidrógeno a
presión.
ü La gran conductividad térmica del hidrógeno
y el carácter explosivo que le da la presión
acumulada contribuyen a ahogar rápidamente
el arco.
ü Robusto, sencillo y fácil de mantener.
ü Excesivo peso y tamaño, esto dificulta
construirlos para tensiones superiores a 154
kV.
Pequeño volumen de aceite
ü Se reduce la cantidad de aceite a través
de un diseño más elaborado de la cámara
de extinción.
ü La cámara se coloca al mismo potencial
de los contactos, eliminando la necesidad
de aislación entre ellos (tanque vivo),
haciendo que la cámara sea más pequeña.
ü Se pueden colocar cámaras en serie, y
operar así en líneas de tensión elevada
(750 kV).
ü En general son los interruptores más
baratos.

Interruptores de poder en aceite
Figure 12 Dead Tank Oil Circuit Breaker
1 bushing 6 plunger guide
2 oil level indicator 7 arc control device
3 vent 8 resistor
4 current transformer 9 plunger bar
5 dashpot
Interruptores de aire comprimido
ü El arco se apaga estirándolo y enfriándolo con ayuda de un chorro de aire a
velocidad supersónica.
ü Son caros debido a que requieren de una planta de aire comprimido.
ü Las cámaras de extinción están a tensión de la línea y pueden ser unidas en
serie para alcanzar cualquier nivel de tensión.
Interruptores de poder en aire
Interruptores con hexafluoruro de azufre – SF6
ü El arco se apaga en una cámara llena con SF6 a baja presión.
ü El SF6 es un gas incombustible de alta rigidez dieléctrica y tiene una gran
afinidad por electrones, capturándolos inmediatamente del gas ionizado, y
dificultando así que el arco se mantenga.
ü Durante la breve permanencia del arco, el gas se disocia en sus componentes
S (azufre) y F (fluor) los que se recombinan a temperaturas de 2000 º K, lo que
contribuye a mantener sus propiedades con el tiempo.
ü Sin embargo, estos elementos, aunque presentes durante un breve tiempo,
son altamente corrosivos, lo que obliga a usar materiales especiales en los
contactos, aisladores y lubricantes.
ü No pueden ser abiertos para mantenimiento o inspección (no puede haber
vestigios de suciedad).
ü El SF6 se licua a temperaturas bajas (< 10º C), obligando a usar calefactores
en los interruptores de exterior.

Interruptores de poder en gas
Interruptor en SF6
Interruptores en vacío
ü El arco se produce dentro de una cámara en la que se ha hecho el vacío.
ü El número de moléculas disponibles para la ionización es muy pequeña, por lo
que el arco se interrumpe por sí solo al pasar la corriente por cero.
ü Sin embargo, con corrientes muy altas, sus contactos se empiezan a vaporizar,
dando origen a un gas metálico que es capaz de ionizarse y mantener un arco a
pesar del alto vacío inicial; razón por la cual no se fabricaban comercialmente.
ü Actualmente, con el avance de la tecnología (mejoramiento en el sellado de la
cámara y el uso de nuevos materiales), se fabrican interruptores de vacío de
media tensión.
ü Son rápidos y de tamaño reducido.
Interruptores de poder en vacío
§ Corriente momentánea, valor rms de la corriente asimétrica de cortocircuito
que el interruptor debe soportar, inmediatamente después de ocurrir la falla.
ü Se determina, multiplicando la corriente simétrica de cortocircuito por un
factor que depende de la tensión de operación del interruptor.
1.5
<= 5 kV
1.25
<= 600 V
1.6
> 5 kV
Factor
V
La corriente simétrica de
cortocircuito se determina
utilizando las reactancias
subtransientes de los generadores,
motores síncronos y de inducción.
Algunas características de los interruptores
§ Corriente momentánea nominal, es la corriente momentánea máxima que el
interruptor puede resistir sin daño.

§ Corriente de interrupción asimétrica, valor rms de la corriente asimétrica de
cortocircuito que un interruptor debe ser capaz de interrumpir en el momento que
se abren sus contactos.
ü Se determina, multiplicando la corriente simétrica de cortocircuito por un
factor que depende de la velocidad de operación del interruptor (tiempo de
interrupción en ciclos).
1.2
3
1.1
5
1.4
2
1.0
>= 8
Factor
Vel.[ciclos] La corriente simétrica de
cortocircuito se determina:
Ø Generadores: X’’
Ø Motores y condensadores
síncronos: X’
Ø Motores de inducción: no se
consideran.
§ Voltaje nominal máximo, es el voltaje rms máximo al cual el interruptor puede
operar en forma permanente. Se escoge un valor algo superior a la tensión
nominal del sistema.
§ Corriente nominal, es la corriente máxima rms que los contactos del interruptor
pueden soportar en forma permanente, sin calentarse excesivamente.
§ Corriente nominal de cortocircuito, valor rms de la corriente simétrica
máxima de cortocircuito que el interruptor puede interrumpir de forma segura al
voltaje nominal máximo. Se mide en el instante en que los contactos principales
comienzan a separarse , tiempo que es inferior al tiempo total requerido para
extinguir el arco.
§ MVA nominales de interrupción (capacidad de ruptura simétrica en Mva),
para un interruptor trifásico, es el producto de raíz de 3 veces el voltaje nominal
máximo por la corriente nominal de cortocircuito. El interruptor es capaz de
mantener esta capacidad dentro cierto rango de voltajes (inferiores al voltaje
máximo nominal), especificado por el factor de rango de voltaje K.
nom int nom max nom coci
MVA 3·V ·I
=
§ Factor de rango de voltajes K, determina el rango de voltajes de operación
sobre los cuales los MVA nominales de interrupción se mantienen constante. Se
define como la razón entre el voltaje nominal máximo y el límite inferior del rango.
nom máx
mín
V
K
V
=
ü Es más común trabajar con corrientes nominales que con MVA nominales.
§ Capacidad de interrupción simétrica, valor rms de la corriente simétrica
máxima de cortocircuito que el interruptor es capaz de interrumpir en el
momento que se abren sus contactos; esta capacidad depende del voltaje de
operación Vop.
nom máx
interruptiva sim nom coci
op
V
I I ·
V
= mín op máx
V V V
≤ ≤
ü Esto significa que la corriente de cortocircuito máxima que el interruptor puede
interrumpir, en el extremo inferior del rango, es K veces la corriente nominal de
cortocircuito. Esta capacidad permanece para voltajes inferiores a Vmín.

ü Se puede apreciar que, dentro del rango de voltajes de operación, los MVA de
interrupción se mantienen constantes e iguales a los MVA nominales de
interrupción.
max
op nom coci nom int
op
V
S 3·V · I · MVA
V
 
= =
 
 
 
ü Los interruptores se identifican por la clase de su voltaje nominal, tal como 69
kV.
Ejemplo
Un interruptor de 69 kV tiene un factor de rango de voltaje de 1.21 y una
corriente nominal de 1200 A, tiene una corriente de cortocircuito nominal de
19000 A a un voltaje nominal máximo de 72.5 kV. Determinar: a) la capacidad
de interrupción simétrica máxima del interruptor, b) el rango de voltajes, c) la
capacidad de interrupción simétrica a 66 kV, y d) la capacidad de interrupción
simétrica a 50 kV.
a) máx nom coci
I k·I 1.21·19000 22990 A
= = =
b) máx
mín
V 72.5
V 60 kV 60 V 72.5 kV
K 1.21
= = ≈ ⇒ ≤ ≤
c) máx
nom coci
V 72.5
I I · 19000· 20871A
V 66
= = =
I 22990 A
=
d)
Selección del interruptor: Método simplificado E/X
§ Cálculo de la corriente de cortocircuito simétrica máxima en la barra i donde se ubica el
interruptor.
ü Se utiliza el tensión de prefalla y las reactancias de la red. Se ignoran las
resistencias, las admitancias shunt, las cargas estáticas y las corrientes de prefalla.
ü Para los generadores se usa X’’.
ü Motores síncronos se usa X’
≈ 1.5X’’
ü Usualmente los motores de inducción se ignoran.
ü Sin embargo, algunos estudios recientes ignoran los motores de inducción bajo 50
HP, y para los de mayor tamaño, se consideran factores de multiplicación a la X’’
.
ü Las normas actuales se basan en la corriente de interrupción simétrica.
§ Selección de un interruptor para una barra i
int erruptiva sim del 52 coci sim calculada barra i
1) Si X / R 15 I I
≤ ⇒ ≥
2) Si X / R 15
> ⇒
Ø Las corrientes anteriores se calculan a la tensión de operación del sistema.
Ø La razón X/R se obtiene a partir de la impedancia de Thévenin en la barra i.
ü El procedimiento común es considerar todos los interruptores conectados a la
barra i con una capacidad interruptiva en base a la corriente de cortocircuito
simétrica calculada en dicha barra.
interruptiva sim del 52 coci sim calculada barra i
3) Si X / R desconocida I 1.25·I
⇒ ≥
ANSI especifica un método para corregir la corriente de falla calculada que
toma en cuenta las constantes de tiempo de las componente de cc y ca.
interruptiva sim del 52 coci sim calculada barra i
3) Si X / R desconocida I 1.25·I
⇒ ≥

§ Ejemplo: selección de un interruptor
ü La corriente de falla simétrica calculada es de 17 kA en una barra donde el voltaje de
operación es de 64 kV. Se desconoce la relación X/R en la barra. Seleccionar un
interruptor para esta barra.
Ø Se probará con el interruptor clase 69 kV. Desde tabla 7.10, pág. 343 del texto Glover
K 1.21
= nom coci
I 19 kA
=
interruptiva sim
72.5
I 19* 21.5 kA
64
= =
máx
V 72.5 kV
=
Ø Capacidad interruptiva simétrica
Ø 1.25 veces la corriente de falla simétrica = 1.25·17 = 21.25 kA
21.5 21.25 kA se selecciona 52 clase 69 kV
≥ ⇒
Tiempos de operación de un interruptor
Esquema de reconexión automática para una falla transitoria
Interruptores y reconexión automática
Fuente: Areva
Esquema de reconexión automática para una falla permanente
Interruptores y reconexión automática
Fuente: Areva

Control de disparo de un interruptor
Estado de reposo = Desenergizado = Como se recibió de fabrica
(relé: no operado – 52: abierto)
CONTACTOS AUXILIARES DE RELÉS E INTERRUPTORES
Contacto abierto Contacto cerrado
Contacto N.A Contacto N.C
a b
Si 52 cambia de estado
Sus contactos auxiliares invierten sus
posiciones (cambian de estado) ya que están
adosados al mismo eje de los contactos
principales
DIAGRAMA ELEMENTAL BÁSICO DE CONTROL
+
−
1
S
1
S 51 1
−
52
a
De las otras
fases ytierra
Circuito de control auxiliar
(Circuito de disparo DC del 52)
52
BD
1 2 3
51-1
51-2
51-3
51-N
Circuito AC
Protección para fallas entre fases y fase a tierra
51 51N
52
MR 1200/5
Conec 600/5
Diagrama unilineal
En los diagramas elementales los contactos siempre se dibujan en estado de reposo,
independientemente si el dispositivo está o no energizado.
§ Unidad de sello ( y tarjeta): Relé auxiliar formado por la bobina y contacto S1; forma parte del
relé 51.
§ FUNCIONES
ü Señalizar la operación del relé correspondiente, mediante alguna indicación, por
ejemplo, mediante una tarjeta de color.
ü Sellar la operación de disparo del 52: Respaldar (sellar: cierre hermético) la operación
del contacto del relé correspondiente, ante la eventualidad de que se abra el contacto de la
protección (rebote de contactos).
ü Proteger los contactos de la protección y el espiral de reposición del disco.
Ø Los contactos de los relés electromecánicos no están diseñados para interrumpir la
corriente de la bobina de desenganche (trip coil) del interruptor; si por algún motivo
estos contactos se abren cuando la BD esta energizada, se corre el riesgo de que
ellos se dañen.
ØTambién se protege el espiral de posibles calentamientos (elemento muy delicado)
evitando que se alteren las curvas de operación.
§ De todas formas, la función de cortar la corriente del circuito de disparo se le adjudica al
contacto auxiliar del 52, que son unos contactos muy robustos.
+
−
52
BD
52
a
R
P
900Ω
swc1
V
swc2
900Ω
52
b
52
b
52
BC
Circuito de apertura Circuito de cierre
DIAGRAMA ELEMENTAL DE CONTROL DE UN 52
Problema ?: Si se mantiene la orden de cerrar, una vez que el 52 ha abierto, se producirán
sucesivos cierres y aperturas del 52, lo que se llama “bombeo del interruptor”.

+
−
52
BD
52
a
P
swc1 swc2
52
b
52
BC
Circuito de apertura Circuito de cierre
94
b
94
94
a
52
a
Relé antibombeo
DIAGRAMA ELEMENTAL DE CONTROL DE UN 52 CON RELÉ
ANTIBOMBEO
Si se mantiene la orden de cerrar contra la falla, el 52 no vuelve a cerrar debido a que a que la BC queda
abierta por el contacto 94/b. Para cerrar nuevamente el 52, se debe inhabilitar el relé 94 abriendo el swc2
y volviéndolo a cerrar.

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