Tipos de disyuntores HVDC y su funcionamiento y aplicaciones
El HVDC (corriente continua de alto voltaje) ofrece una forma muy eficiente de transmisión de energía a través de distancias muy largas y se utiliza en diversas producciones de energía verde hoy en día. Utilizamos múltiples dispositivos de protección para proteger equipos costosos que están conectados a líneas de transmisión de alto voltaje. Uno de estos equipos es un disyuntor. No podemos utilizar los mismos interruptores diseñados para CA debido a la naturaleza de la CC que los inutiliza y puede dañar aún más el sistema. Es por eso que necesitamos disyuntores HVDC en este tipo de aplicaciones.
Cortacircuitos
Un disyuntor es un interruptor mecánico que funciona automáticamente para proteger un circuito del daño causado por la corriente de falla. Interrumpe automáticamente el circuito al detectar un gran consumo de corriente debido a una sobrecarga o un cortocircuito. También puede abrir manualmente el circuito para mantenimiento o eliminación de fallas. Puede cerrar y abrir un circuito de forma segura para protegerlo de daños.
El objetivo principal de un disyuntor es abrir el circuito de forma segura.
- Debe resistir momentáneamente la corriente de falla.
- Debería abrir el circuito de forma segura.
- Debería extinguirse rápidamente el arco.
- Sus terminales deben soportar el voltaje después de la rotura.
- Debería evitar que el arco se vuelva a encender.
El disyuntor detecta la corriente de falla que es de muy alto rango utilizando varios mecanismos, como
- Efecto de calentamiento
- efecto electromagnético
- Sensores de corriente que utilizan CT
El disyuntor resiste la corriente de falla momentáneamente y permite que otros disyuntores resuelvan la falla. El CB está diseñado para tolerar un rango específico de corriente de falla sin dañar sus terminales.
Una vez que detecta la corriente de falla, se dispara e interrumpe el flujo de corriente. Abre el circuito utilizando algún tipo de energía mecánica almacenada, como un resorte o una ráfaga de aire comprimido, para separar los contactos. También puede utilizar la corriente de falla para abrir los contactos mediante expansión térmica o un campo electromagnético mediante solenoide.
El siguiente paso que viene tras la separación de contactos es la extinción del arco. El arco se genera entre los contactos debido al alto voltaje entre ellos. Puede dañar los contactos o terminales del CB debido al calor excesivo generado debido a la alta corriente.
El arco eléctrico intenta hacer el circuito, por lo que la corriente aún fluye en él. Debe extinguirse y los diferentes tipos de disyuntores utilizan diversos medios de extinción de arco aislantes o dieléctricos, como.
- Aire
- Vacío
- Aceite aislante
- Gas aislante como SF6 (hexafluoruro de azufre)
Además del medio utilizado para apagar el arco, se utilizan varias técnicas de extinción de arco para eliminar un arco de forma rápida y segura.
- Enfriamiento del arco: El arco calienta la molécula de aire que ioniza y reduce la resistencia del aire. Enfriar el arco recombinará la partícula ionizada en su estado natural y aumentará la rigidez dieléctrica de la molécula de aire. A medida que aumenta la resistencia del medio, el voltaje requerido para mantener el arco también aumenta y la corriente comienza a caer, lo que provoca la extinción del arco.
- Chorro de aire: Este método se utiliza en disyuntores de chorro de aire, donde el arco se apaga mediante un chorro de aire comprimido. Las partículas de aire ionizadas se reemplazan con moléculas de aire no ionizadas que tienen mayor rigidez dieléctrica. Aumenta la resistencia reduciendo así la corriente que conduce a la extinción del arco.
- Aumentar la longitud del arco: La longitud del arco es directamente proporcional a su voltaje. Aumentar la longitud del arco separando más los terminales de contacto aumentará el voltaje requerido para mantenerlo. Así se extinguirá.
- Reducción de la sección transversal del arco: Otra técnica consiste en reducir la sección transversal del arco reduciendo los tamaños de contacto. Por lo tanto, el voltaje requerido para el arco aumenta y lo extingue.
- Desviando el arco: En esta técnica, se crea un campo magnético para desviar el arco. sopla el arco en una sección del disyuntor llamada conducto de arco donde se enfría y se apaga.
- Dividiendo o partiendo el arco: En esta técnica, el arco se divide en múltiples arcos probando múltiples contactos entre ellos. El arco se divide en numerosos arcos pequeños en serie, lo que aumenta su longitud y la resistencia. Por lo tanto, se reduce la corriente del arco y finalmente se extingue.
- Extinción de corriente cero: Este es el método más común utilizado en disyuntores de CA. Hay inherentemente múltiples corrientes cero en una forma de onda de CA. El circuito se abre en el punto exacto de corriente cero. Para que la corriente no suba para generar arco.
- Usando un capacitor cargado en paralelo: Esta técnica se utiliza en disyuntores de CC. El DC no tiene corriente cero natural. Por tanto, se utiliza en paralelo un condensador cargado con inductor para introducir corriente cero artificial en la línea para extinguir el arco.
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Comparación del disyuntor de CA y el disyuntor de CC
Como se mencionó anteriormente, la corriente alterna fluctúa a lo largo de la línea cero, lo que ofrece muchos cruces por cero naturales casi 100 veces en un segundo a 50 Hz. Por lo tanto, el disyuntor de CA utiliza esta característica de la CA para extinguir el arco cuando la corriente está en el punto cero.
Como sabemos, la corriente alterna cambia su dirección continuamente, lo que ofrece múltiples posibilidades de extinguir el arco. Por otro lado, la corriente continua permanece en estado estable y no hay posibilidad de que se produzca una corriente cero natural. El arco generado en el corte del circuito de CC no se extingue ya que la corriente nunca llegó al punto cero.
Por lo tanto, el disyuntor de CC utiliza circuitos adicionales para introducir corrientes cero artificiales en la línea para extinguir el arco. Esta es la razón por la que los disyuntores de CC tienen un diseño complejo en comparación con los disyuntores de CA. Lea más sobre la «Comparación entre disyuntores de CA y CC».
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Disyuntor HVDC (CC)
El disyuntor HVDC (corriente continua de alto voltaje) es un tipo especial de disyuntor que está diseñado específicamente para usarse como protección contra corriente de falla en circuitos HVDC.
Como comentamos anteriormente, la parte principal que diferencia al disyuntor de CC de otros tipos de disyuntores es la técnica de extinción del arco. En el disyuntor de CA, es más fácil romper el circuito en el cruce por cero porque la energía en ese punto es cero, lo que no permite generar un arco a ese nivel de voltaje. Mientras está en CC, el voltaje y la corriente nunca llegan a cero. Por lo tanto, siempre hay muy alto voltaje y corriente entre los contactos durante su separación.
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Requisito para el disyuntor HVDC
El funcionamiento y diseño del disyuntor HVDC es complejo en comparación con el disyuntor de CA debido a la ausencia de cruce por cero natural. El arco generado en HVDC nunca se extinguirá y calentará los contactos del disyuntor y eventualmente los destruirá, inutilizando todo el CB.
Sin mencionar que el circuito seguirá completo y el equipo conectado se dañará debido a la falla de corriente. Por lo tanto, se debe completar el siguiente requisito para garantizar una interrupción segura del circuito en el disyuntor HVDC:
- Creación de cruce por cero artificial
- Disipación de la energía almacenada dentro del circuito LC.
- Soportar el voltaje entre su contacto.
- Prevención del reinicio del arco
Para cumplir con los requisitos anteriores, se introduce un circuito LC con el disyuntor en paralelo que generará una corriente cero artificial a través de la línea para abrir el circuito de manera segura. La fuerza del arco es directamente proporcional al nivel de voltaje y la corriente. Por lo tanto, la corriente de falla debe reducirse a cero usando un circuito externo antes de interrumpirla.
Principio de funcionamiento del disyuntor HVDC
Para generar una corriente cero artificial en el sistema, se conecta un circuito LC en paralelo con el disyuntor.
Método 1:
La siguiente figura muestra un disyuntor HVDC típico y su principio de funcionamiento.
Se conecta un condensador precargado C con polaridades invertidas, como se muestra en la figura. Un inductor L y un interruptor S están conectados en serie con el condensador C. Este circuito adicional está conectado en paralelo con el disyuntor principal M.
En condiciones normales, el interruptor S está abierto y el disyuntor principal M está cerrado y la corriente fluye a través de él. Durante condiciones de interrupción de corriente o falla de corriente, el interruptor S se cierra, lo que completa el circuito LC y el disyuntor principal M se abre.
Durante este tiempo, el condensador C comienza a descargarse y empuja la corriente en dirección inversa a través del disyuntor M, lo que obliga a la corriente de arco a oscilar (llegando al punto cero), lo que resulta en una conmutación artificial o cruce por cero. Esta conmutación cero artificial generada por el circuito LC permite que el arco se extinga en el punto de corriente cero. La energía extra se disipa en el circuito LC.
Este tipo de disyuntor de CC puede funcionar en una sola línea de alimentación y no requiere la segunda línea de polaridad opuesta.
Método 2:
Otro método de extinción de arco en un disyuntor HVDC se explica utilizando el siguiente diseño que utiliza ambas líneas de una transmisión de CC.
En este método, el disyuntor principal M está conectado a la línea viva o viva. Un circuito LC se conecta en paralelo con el disyuntor principal M mediante dos interruptores S1 & S2. la s2 El interruptor conecta el circuito LC a tierra a través de una alta resistencia R.
En condiciones normales, el disyuntor principal M y el interruptor S2 está cerrado, mientras que el S1 Esta abierto. La corriente fluye a través del interruptor principal M hacia la carga y también a través del interruptor S2 para cargar el condensador. El condensador se carga a través de la alta resistencia.
Durante la interrupción de corriente o falla de corriente, el interruptor S2 está abierto y la S1 está cerrado. El condensador cargado comienza a descargar la corriente en dirección inversa a través del disyuntor principal M. El circuito LC comienza a resonar y crea una corriente oscilante que obliga a la corriente a través del disyuntor principal M a cruzar cero.
Los contactos del interruptor principal M se separan con esta corriente cero, lo que provoca la extinción del arco. Tan pronto como se abren los contactos M, el interruptor S2 está cerrado y S1 está abierto. la s2 permite que la energía adicional se disipe en la fuerte resistencia R. Esto evita que el arco se vuelva a encender.
Usos del disyuntor HVDC
La energía HVDC ha encontrado muchas aplicaciones además de la transmisión de energía en el campo de la tecnología. Estas son algunas de las aplicaciones de HVDC que requieren disyuntores HVDC:
Plantas Fotovoltaicas:
La planta fotovoltaica contiene cadenas de paneles fotovoltaicos que convierten la energía solar en energía eléctrica en forma de CC. La radiación solar que actúa sobre los paneles genera energía eléctrica CC. Se utilizan para ofrecer energía renovable tanto a pequeñas casas como a grandes industrias.
Se combinan varias cadenas de paneles fotovoltaicos para aumentar sus clasificaciones de voltaje y corriente para alimentar grandes compuestos.
El equipo utilizado para un voltaje tan alto (como los convertidores y las baterías) es muy caro y debe protegerse contra condiciones de falla. Se utilizan varios disyuntores de CC para aislar diferentes partes del sistema en caso de falla o mantenimiento para evitar daños o bajas.
Tracción Eléctrica:
La energía CC ha encontrado uno de sus mejores usos en el campo de la tracción eléctrica debido a la relación velocidad-par del motor CC. Los trenes eléctricos, tranvías y trolebuses utilizan motores de corriente continua. La ventaja del suministro de CC es el uso de un solo conductor que suministra corriente al vehículo mientras el riel se utiliza como ruta de retorno de corriente. De este modo también se reduce el número de conductores.
La energía CC no solo alimenta los motores sino que también alimenta a todos los trenes donde se conectan varios tipos de cargas. Por lo tanto, se debe instalar un sistema de protección adecuado para proteger todos los equipos. Por lo tanto, se utilizan múltiples disyuntores de CC para proteger cada sistema.
Transmisión de energía HVDC:
El HVDC se utiliza principalmente para la transmisión de energía a distancias muy largas. Los terminales HVDC utilizados para la conversión de CC a CA o viceversa son bastante caros. Hay que protegerlos a toda costa. La transmisión de energía se ve afectada principalmente por corrientes de falla que pueden dañar fácilmente cualquier equipo conectado a ella.
Por lo tanto, los disyuntores HVDC se instalan en la línea para proteger contra la corriente de falla. Además, también se utilizan para aislar la línea de transmisión para trabajos de mantenimiento.
Sistemas de red MTDC:
La corriente continua multiterminal o MTDC es un tipo complejo de sistema de transmisión HVDC que se utiliza por su transmisión de energía, flexibilidad y control sobre la distribución de energía entre múltiples redes.
El MTDC, como su nombre indica, conecta múltiples terminales y tiene así múltiples ramas de circuito. En caso de fallas o mantenimiento programado en un ramal específico, es necesario desenergizarlo mediante un disyuntor. Por lo tanto, se utilizan varios disyuntores HVDC para ramas separadas.
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