Interruptor de media tensión en vacío: cómo funciona y pruebas

Qué es y dónde se ubica

El interruptor de media tensión en vacío es el aparato que establece, conduce e interrumpe corrientes normales y de cortocircuito en redes de media tensión; los catálogos de interruptores de vacío cubren típicamente de 7,2 a 36 kV. Interrumpe el arco dentro de una botella de vacío sellada, sin gas ni aceite. Según una presentación técnica de Siemens, el vacío pasó de cerca del 20 % del mercado de interruptores de media tensión en 1980 a más del 80 % en 2018.

Va dentro de las celdas de media tensión de subestaciones de distribución y de plantas industriales: en la llegada del transformador, en el acople de barras y en cada alimentador. Aguas arriba tiene la barra; aguas abajo, el cable de salida. Alrededor de él están los transformadores de corriente (CT), el transformador de tensión (PT) de la barra o de la línea y el relé de protección del alimentador, que manda su bobina de disparo. Es la versión de media tensión del interruptor de potencia.

Partes principales

• Botella de vacío, una por polo: aislador cerámico, contacto fijo, contacto móvil, fuelle metálico que deja mover el contacto sin perder el vacío, pantalla que recoge el vapor metálico y protege el aislador, y guía del vástago. La presión interna es del orden de 10⁻⁷ mbar.
• Contactos de cobre-cromo (CuCr), con geometría que genera un campo magnético: radial (el arco gira) o axial (el arco se mantiene difuso).
• Polos, con aisladores soporte o encapsulados en resina.
• Mecanismo de resortes con resorte de cierre, resortes de apertura, motor de carga, bobina de cierre, bobina de apertura y, opcionalmente, bobina de mínima tensión o disparador alimentado por CT.
• Contactos auxiliares, contador de maniobras e indicadores de posición y de resortes cargados.
• Carro extraíble con pinzas de conexión, enclavamientos y contactos de posición de servicio y de prueba.

Cómo funciona

Al separarse los contactos se forman puntos de fusión en el cátodo que emiten vapor metálico. Ese vapor sostiene el arco: no hay otro medio que ionizar. A corriente nominal el arco es difuso y reparte el calor sobre toda la superficie. Con corrientes de cortocircuito tiende a contraerse; los contactos de campo radial lo hacen girar y los de campo axial lo mantienen difuso, para que la erosión sea pareja.

Cerca del cero natural de la corriente, el arco se apaga, el vapor se condensa en la pantalla y en los contactos, y la rigidez dieléctrica entre contactos se recupera en microsegundos. Si esa recuperación le gana a la tensión transitoria de restablecimiento (TTR), la corriente queda interrumpida. Como el vacío aísla mucho con poca distancia, basta con que los contactos se separen unos milisegundos antes del cero.

Con corrientes pequeñas el vapor puede no alcanzar y el arco se apaga antes del cero: es el corte de corriente (current chopping). Es del orden de unos pocos amperios y depende del material de contacto; por ejemplo, Siemens declara 3 A o menos para sus contactores de vacío. Cada fabricante declara el suyo. Con cargas inductivas, como motores durante el arranque o transformadores en vacío, ese corte puede generar sobretensiones.

La secuencia del mecanismo es: el motor carga el resorte de cierre, que queda trabado. La bobina de cierre lo libera; al cerrar, el mismo resorte carga los de apertura. El motor vuelve a cargar el de cierre y el interruptor queda listo para abrir, cerrar y abrir (O–CO). El mecanismo tiene disparo libre y lógica antibombeo.

Variantes y diferencias con otros niveles de tensión

• Extraíble en celda, la más común en subestaciones e industria; fijo en celdas compactas y reconectadores.
• SF6 en media tensión. Todavía se instalan interruptores de SF6 a baja presión; un catálogo de Schneider describe su principio de autosoplado (puffer): un pistón unido al contacto móvil comprime el gas y lo sopla sobre el arco. El vacío domina por mantenimiento y vida útil, y el SF6 es un gas de efecto invernadero que se maneja según IEC 62271-4.
• Frente a la baja tensión, el interruptor de baja tensión corta en aire y trae su protección integrada; aquí el relé es externo.
• Frente a la alta tensión, el interruptor de tanque vivo y el de tanque muerto usan SF6 o alternativas, con mecanismos más grandes y supervisión de gas.
• Para motores con muchas maniobras se usa el contactor de media tensión, que no corta cortocircuitos.

Datos nominales y placa

Según IEC 62271-100 e IEC 62271-1, la placa trae:

• Tensión asignada Ur, tensión soportada a frecuencia industrial Ud e impulso tipo rayo Up (por ejemplo, 12 kV, 28 kV y 75 kV en un equipo de 12 kV).
• Frecuencia, corriente nominal Ir y corriente de corte en cortocircuito Isc, con su duración tk.
• Poder de cierre en cortocircuito, en valor pico.
• Secuencia nominal de maniobra, por ejemplo O–0,3 s–CO–3 min–CO o O–0,3 s–CO–15 s–CO.
• Clases de durabilidad mecánica (M1 o M2), eléctrica (E1 o E2) y de maniobra capacitiva (C1 o C2). Un catálogo de Siemens declara M2, E2 y C2 y hasta 10 000 maniobras sin mantenimiento.
• Tensiones de bobinas y del motor, y masa.

Integración con protección y control

El relé del alimentador recibe la corriente de los CT y, si tiene funciones de tensión o direccionales, la tensión del PT. Su contacto de disparo energiza la bobina de apertura; el cierre llega por la bobina de cierre, desde el relé o desde el control de la celda. Los contactos auxiliares 52a y 52b informan la posición, y el carro informa si está en servicio o en prueba.

En IEC 61850 el interruptor se modela con el nodo XCBR y su control con CSWI; el enclavamiento, con CILO. Las protecciones del relé terminan en PTRC, que da la orden de disparo al XCBR. Las corrientes y tensiones llegan por TCTR y TVTR cuando la medición está digitalizada.

Pruebas de puesta en servicio y mantenimiento

Las pruebas de interruptores de potencia en vacío incluyen:

• Resistencia de contactos con corriente continua alta. Los fabricantes declaran la caída de tensión del circuito principal medida a 100 A según IEC 62271-1, y ese es el valor de referencia.
• Tiempos de cierre, apertura y simultaneidad entre polos, comparados con los del fabricante.
• Integridad del vacío, con tensión aplicada a través de los contactos abiertos.
• Resistencia de aislamiento entre polos y contra tierra.
• Tensión mínima de operación de bobinas, carga del motor y antibombeo.
• Verificación del carro: posiciones, enclavamientos y contactos secundarios.

Fallas comunes y qué revisar primero

• No abre o abre lento: bobina de disparo, alimentación de corriente continua y lubricación del mecanismo.
• No cierra: resortes sin cargar, motor o fin de carrera de carga, o un enclavamiento del carro.
• Pérdida de vacío: poco frecuente, pero obliga a cambiar la botella.
• Calentamiento en las pinzas del carro o en las conexiones.
• Sobretensiones al maniobrar motores, por corte de corriente o reencendidos: revise si hacen falta limitadores o filtros RC.

Pruebas y puesta en servicio con Tiza Group

En Tiza Group probamos y ponemos en servicio interruptores de vacío y celdas de media tensión en subestaciones e industria, desde la resistencia de contactos y los tiempos hasta el disparo real desde el relé. Cuéntenos qué equipo tiene y le proponemos un plan.

Referencias

• IEC 62271-1, Aparamenta de alta tensión: especificaciones comunes.
• IEC 62271-100, Interruptores automáticos de corriente alterna.
• IEC 62271-200, Aparamenta bajo envolvente metálica de corriente alterna.
• IEC 62271-4, Manipulación del SF6 y sus mezclas.
• IEC 61850-7-4, Clases de nodos lógicos compatibles.
• Slade, P. G., The Vacuum Interrupter: Theory, Design, and Application.

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