Curso Cfe Equipos Electricos Primarios - Interruptores de Potencia

COORDINACIÓN DE PROYECTOS DE TRANSMISIÓN Y TRANSFORMACIÓN Gerencia Técnica

INTERRUPTORES DE POTENCIA

ABRIL DE 2005

Autor: Ing. Ignacio Alcocer Moreno


Interruptores de Potencia Definición. Dispositivo mecánico de conmutación capaz de permitir la conducción o interrupción de corriente en un circuito bajo condiciones normales de carga o en condiciones de falla como es el caso de un cortocircuito.


Interruptores de Potencia Definición. Dispositivo mecánico de conmutación capaz de permitir la conducción o interrupción de corriente en un circuito bajo condiciones normales de carga o en condiciones de falla como es el caso de un cortocircuito.


Función • El int inter erru rupt ptor or de po pote tenc ncia ia con consti stitu tuye ye uno uno de de los los equipos importantes que conforman las instalaciones de un sistema eléctrico. • Su fun funci cion onal alid idad ad per permi mite te la la cone conexi xión ón-d -des esco cone nexi xión ón de un circuito u otros equipos principales de una subestación, tanto en condiciones normales de acuerdo a las necesidades de operación y/o mantenimiento de la red como para la liberación de fallas en condiciones de cortocircuito.


Arreglo unifilar

AMARRE

BARRA PRINCIPAL BARRA AUXILIAR


Arreglo unifilar A-1

A-1

DOBLE INTERRUPTOR

INTERRUPTOR Y MEDIO


Clasificación de interruptores de potencia 1. 2. 3. 4. 5.

Por su medio de extinción Por el tipo de mecanismo de operación Por el número de mecanismos de operación Por el tipo de diseño Por su aguante mecánico y eléctrico


1. Por su medio de extinción

– Gran volumen de aceite – Pequeño volumen de aceite – Aire comprimido – Gas SF6 – Vacío (media tensión) Actualmente la tecnología predominante en el mercado es la de gas SF6, siendo esta la que CFE especifica, sin embargo, se tienen aún en operación equipos de las otras tecnologías que requieren de servicio y suministro de refacciones.


Gran volumen de aceite


Pequeño volumen de aceite


Aire comprimido


Gas SF6


Vacío (media tensión)


Conceptos básicos de extinción del arco Independientemente del medio, la extinción del arco incluye: 1. Soplado y barrido 2. Enfriamiento 3. Desionización 4. Reposición del medio 5. Recuperación del dieléctrico


2. Por el tipo de mecanismo de operación – Neumático – Hidráulico – Resorte – Combinación de los anteriores Un requerimiento de todos los tipos de mecanismo es que dispongan de energía almacenada que permita la ejecución de varias operaciones sin depender de las fuentes que los alimentan.


Mecanismo de operación neumático


Mecanismo de operación hidráulico


Mecanismo de operación a resorte


Mecanismo de operación combinado


3. Por el el nú número de de me mecanismos ddee ope operración – Monopolar – Tripolar CFE especifica el mecanismo de operación como sigue: • Trip Tripol olar ar para para inte interr rrup upto tore ress has hasta ta 17 1700 kV; kV; • Mono Monopo pola larr o trip tripol olar ar para para inte interr rrup upto tore ress de de 245 245 kV kV;; • Mono Monopo pola larr par paraa int inter erru rupt ptor ores es de 42 4200 kV. kV. • Ver punto unto 6. 6.17 17.1 .1 de NRFNRF-02 0222-CF CFEE


4. Por el tipo de diseño •

Tanque vivo

•

Tanque muerto


5. Por su aguante mecánico y eléctrico La IEC 62271-100 clasifica a los interruptores interruptores como sigue: 1. Por su aguante mecánico Clase M1. Aguante mecánico normal (hasta 2000 operaciones secuenciales) Clase M2. Aguante mecánico extendida (hasta 10000 operaciones secuenciales) 2. Por su aguante eléctrico Clase E2. Aguante eléctrico extendida (no requiere mantenimiento en partes de interrupción durante la vida esperada de operación, tensiones hasta 52 kV) Clase E1. Interruptores que no caen en la l a categoría E2 3. Po Porr su su pro proba babi bililida dadd ddee ree reenc ncen endi dido do al inte interr rrum umpi pirr cor corri rien ente tess capacitivas Clase C1. Baja probabilidad de reencendido Clase C2. Muy baja probabilidad de reencendido


Hexafluoruro de azufre (SF6)

• El empleo del gas hexafluoruro de azufre (SF6) en equipos eléctricos se incrementó notablemente durante los últimos años básicamente por sus características como medio aislante y como medio de extinción de un arco eléctrico.


Características del gas SF6 • • • • • • • • • • • • •

FÓRMULA QUÍMICA: SF6 GAS INERTE Y QUÍMICAMENTE ESTABLE CINCO VECES MÁS PESADO QUE EL AIRE NO TÓXICO, NO INFLAMABLE, INCOLORO E INODORO PRODUCIDO POR REACCIÓN DIRECTA A 300 °C DE AZUFRE FUNDIDO Y FLÚOR GASEOSO SUMINISTRADO COMO GAS LICUADO A SU PRESIÓN DE VAPOR SU DENSIDAD A 20 °C Y 1 ATM ES DE 6.16 g/l RIGIDEZ DIELÉCTRICA DE 2,5 A 3 VECES SUPERIOR A LA DEL AIRE A LA MISMA PRESIÓN TEMPERATURA DE LICUEFACCIÓN MUY BAJA EXCELENTE COMPORTAMIENTO PARA EXTINCIÓN DEL ARCO ELÉCTRICO EL GAS SF6 NUEVO DEBE CUMPLIR CON LA PUBLICACIÓN IEC 60376 EL USO Y MANEJO DE GAS SF6 DEBE CUMPLIR CON LA PUBLICACIÓN IEC 61634 LA VERIFICACIÓN DEL GAS SF6 EN OPERACIÓN DEBE CUMPLIR CON LA PUBLICACIÓN IEC 60480


RIGIDEZ DIELÉCTRICA

TEMPERATURA DE LICUEFACCIÓN


Descomposición del gas SF6 por efectos del arco eléctrico SF6

Gas noble, no tóxico

Arco Tetrafloruro de azufre, gas tóxico mas fluor

SF4 + 2F H2O Fluoruro de tionil, gas tóxico mas ácido fluorhídrico

SOF2 + 2HF H2O

Anhídrido sulfuroso, gas tóxico o venenoso mas ácido fluorhídrico

M

SO2 + 2HF

MFn

Material químico por lo regular en polvo el cual es corrosivo

SiO2

SiF4 + 2H2O

Tetrafloruro de silico, gas tóxico por inhalación mas agua


Características nominales • • • • • • • • • • •

Tensión nominal Niv Nivel nomin minal de aisl islamien mientto Frecuencia nominal Corriente no nominal Corr Co rrie iennte nomin ominal al de inte interr rrup upcción ión Corri orrieente no nomina inal de de cie cierr rree en en cortocircuito Corr Co rrie ient ntee nomin ominal al de agu aguante ante de corta duración Corrie rriennte no nominal de de ag aguante momentánea Secu ecuencia nomina inal de de op operaci ación Corr Co rrie iennte nomin ominal al para para cone conexi xión ón-desconexión de corrientes capacitivas Tiempos de operación


Niveles nomin ales d e aislamiento para interruptor es de potencia

Tensión nominal del sistema [kV] (valor eficaz)

Tensión de diseño del equipo [kV] (valor eficaz)

(1)

(2)

69

72,5

85

100

115

123

138

145

161

170

230

245

400

420

Nota: 1.

Altitud de la instalación [msnm]

(3) Hasta 2500

Tensión nominal de aguante de corta duración a 60 Hz [kV] (valor eficaz) De fase a A través del tierra y interruptor entre abierto fases (4) (5) 140 160

Tensión nominal de aguante al impulso por maniobra [kV] (valor cresta) De fase a tierra

Entre fases

A través del interruptor abierto

(6) -

(7) -

(8) -

Tensión nominal de aguante al impulso por rayo [kV] (valor cresta) De fase a tierra y entre fases (9)

A través del interruptor abierto (10)

325

375

Más de 2500

185

210

-

-

-

450

520

Hasta 2500

185

210

-

-

-

450

520

Más de 2500

230

265

-

-

-

550

630

Hasta 2500

230

265

-

-

-

550

630

Más de 2500

275

315

-

-

-

650

750

Hasta 2500

275

315

-

-

-

650

750

Más de 2500

325

375

-

-

-

750

860

Hasta 2500

325

375

-

-

-

750

860

Más de 2500

360

415

-

-

-

850

950

Hasta 2500

460

530

-

-

-

1050

1200

Más de 2500

520

610

-

-

-

1175

1300

Hasta 2500

520

610

1050

1575

900(+345)

1425

1425 (+240)

Más de 2500

620

800

1175

1760

900(+345)

1550

1550 (+240)

Los valores establecidos en esta tabla están referidos a las condiciones atmosféricas normalizadas, esto es, 3 temperatura de 20 °C, presión de 101,3 kPa (1013 mbar), humedad absoluta de 11 g/m .


Secuencias nominales de operación IEC considera las siguientes: A – 0,3 segundos – CA – 3 minutos – CA CA – 15 segundos – CA CFE especifica solo la primera.



Tiempos de secuencia y de operación de un interruptor sin resistencia de preinserción

Cierre - Apertura



Apertura - Cierre



Recierre


Tiempos de secuencia y de operación de un interruptor con resistencia de preinserción

Apertura – Cierre con resistencia de preinserción


Otros parámetros de diseño • Temperatura ambiente IEC establece como condiciones normales:  Temperatura máxima de 40 °C  Temperatura promedio en 24 horas de 35 °C  Temperatura mínima: -10, -25 y -40 °C IEC establece como condiciones especiales:  Rango de -50 °C a 40 °C  Rango de -5 °C a 50 °C para zonas cálidas CFE establece:  Rango de -25 °C a 55 °C (punto 7.2 de NRF-022)


Otros parámetros de diseño • Altitud 

IEC establece como condición normal una altitud de 1000 msnm y como condición especial una altitud mayor de 1000 msnm.



CFE establece como condición normal una altitud de 2500 msnm y como condición especial una altitud mayor de 2500 msnm.


Otros parámetros de diseño • Nivel de Contaminación y Distancia de Fuga 





IEC establece como condición normal los Niveles I y II. IEC establece como condición especial los Niveles III y IV. CFE incluye los niveles II, III y como caso especial el nivel IV.

Nivel de Contaminación

Distancia de Fuga Unitaria [mm/kVf-f ]

Concentración de Contaminación Método de Niebla Salina 3

[kg/m ]

I

(Ligero)

16

De 5 a 14

II

(Medio)

20

De 14 a 40

III

Alto

25

De 40 a 112

IV

Extra Alto

31

> 160

Tabla de acuerdo a la Publicación IEC 60815

⎡ mm ⎤ ⎥ kV ⎢⎣ f − f ⎦⎥ ⎡ mm ⎤ Total → [kV f − f ] × ⎢ ⎥ → [mm] kV ⎢⎣ ⎥⎦ Unitaria → ⎢


Otros parámetros de diseño • Velocidad de viento IEC y CFE establecen como condición normal una velocidad de viento de hasta 34 m/s ó 122 km/h  Valores superiores se especificarán como condición especial  CFE emplea el Mapa de Zonificación de Velocidades Regionales de Viento en la República Mexicana 


-118

-113

32

-108

-103

-98

-93

B

ZONA

B

B

B C

B

32

Velocidad Regional [ km/h ]

150 180 220 260

A

C

-88

D

B C

27

C

27

D d u t i t a L

B

A

C

B

C D

C A

D

B

22

22

A B

B

B

C

17

PERIODO MEDIO DE RETORNO ALTURA SOBRE EL TERRENO TERRENO CATEGORIA T IEMPO DE PROME DI ACI ÓN

B

A

D

ZONIFICACIÓN DE VELOCIDADES REGIONALES DE VIENTO EN LA REPUBLICA MEXICANA PARA DISEÑO DE ESTRUCTURAS DE SUBESTACIONES C.F.E. - 1996

A

C

B C

B

A

A

A

B

200 AÑOS 10 m 2 3 seg

C B

17 B

Longitud 12

12 -118

-113

-108

-103

-98

-93

-88


Otros parámetros de diseño • Nivel de calificación sísmica 

CFE establece los niveles de calificación sísmica con base en la siguiente tabla y el Mapa de Regionalización Sísmica de la República Mexicana


-118

-113

D

32

-108

-98

C B

-93

INTENSIDAD SÍSMICA

COEFICIENTES

A

BAJA

0.08, 0.16, 0.20

ZONA

C

-88

TC's, TP's, DP's

y AP's

0.30 g

B

MEDIA

0.14, 0.30, 0.36

0.30 g

C

ALTA

0.36, 0.64, 0.64

0.30 g

D

MUY ALTA

0.50, 0.86, 0.86

0.50 g

ALTO AF5 5 m/s 2

27

A D U T I T A L

A

A B

22

22 B

C

A

D

B

C

REGIONALIZACION SISMICA

17

32

MODERADO AF3 3 m/s2

B

B

27

-103

C

DE LA REPUBLICA MEXICANA PARA DISEÑO DE SUBESTACIONES C.F.E. - 1996

17 D

LONGITUD 12 -118

12 -113

-108

-103

-98

-93

-88


Otros parámetros de diseño • Tensión de alimentación de auxiliares 

CFE establece para CA  



440, 220 y 127 VCA Rango de variación de E 10%

CFE establece para CD   

250 y 125 VCD Rango de variación para circuitos de cierre de + 10% y – 15% Rango de variación para circuitos de disparo de + 10% y – 30%

Ver tablas 4 y 5 de NRF-022-CFE


Principales componentes y accesorios de un interruptor tanque vivo • Cámaras de interrupción • Aisladores soporte • Mecanismo de operación • Gabinete de control • Bases soporte


Principales componentes y accesorios de un interruptor tanque muerto • Boquillas • TC’s tipo boquilla • Cámaras de interrupción • Mecanismos de operación • Gabinete de control • Tanque • Bases soporte


Accesorios especiales • • • • • • •

Capacitores para distribución de la tensión Resistencias de preinserción Resistencias de preapertura Accesorios contra sismo Relés de sincronización de fases Boquillas Anillos equipotenciales


Resistencias de preinserción


Otros accesorios comunes • • • • • • • • • • • • • • • •

Accesorios para control eléctrico local Selector de operación local y remota Indicadores de posición Contador de ciclos de operación Conmutadores de contactos auxiliares Placa de datos Resistencias calefactoras Tablillas para cableado externo y propio Protección de circuitos auxiliares Dispositivos para cortocircuitar secundarios de TC’s Sensores y dispositivos de medición Relevadores auxiliares Conectores terminales Medios de conexión a tierra Dispositivos para llenado, drenado y muestreo Otros dispositivos de acuerdo al tipo de mecanismo de operación


Normas aplicables Las principales publicaciones internacionales aplicables a interruptores de potencia son: • IEC 60694 Common specifications for high-voltage switchgear and controlgear standards. • IEC 62271-100 High-voltage alternating current circuit breakers. La norma de referencia aplicable a interruptores de potencia es la NRF-022-CFE-2002 INTERRUPTORES DE POTENCIA DE 72,5 A 420 kV.


Pruebas a Interruptores de potencia

1. Pruebas de prototipo 2. Pruebas de rutina y aceptación 3. Pruebas de campo


Pruebas de prototipo Estas pruebas se llevan a cabo en laboratorios reconocidos y/o en la fábrica. Su propósito es verificar el diseño del equipo. Se realizan a un solo equipo denominado prototipo. 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9. 10. 11. 12. 13.

Pruebas dieléctricas Prueba de radio interferencia (RIV) Prueba resistencia del circuito principal Prueba de Elevación de temperatura Prueba de corriente de aguante de cortocircuito (pico y corta duración) Prueba de hermeticidad Prueba de operación mecánica a temperatura ambiente Prueba de capacidad de apertura y cierre en cortocircuito Prueba de interrupción fuera de fase Prueba de conexión-desconexión de corrientes capacitivas Prueba de interrupción de corrientes inductivas Prueba sísmica Prueba de contaminación


Pruebas de rutina y aceptación Estas pruebas se llevan a cabo en la fábrica. Su propósito es verificar la correcta fabricación del equipo. Estas pruebas se efectúan a cada uno de los equipos que se suministran. 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7.

Pruebas dieléctricas al circuito principal Pruebas dieléctricas a circuitos auxiliares y de control Medición de resistencia del circuito principal Prueba de hermeticidad Inspección visual Prueba de operación mecánica Medición de tiempos de operación.


Pruebas de campo

Estas pruebas se llevan a cabo en el sitio de la instalación. Su propósito es verificar la correcta instalación y funcionamiento del equipo. Estas pruebas se efectúan a cada uno de los equipos que se instalan. Pruebas Eléctricas 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7.

Resistencia de aislamiento Factor de potencia Resistencia de contactos Sincronismo y tiempos de operación al cierre y apertura Tiempo de inserción de resistencias de preinserción Pruebas a boquillas (factor de potencia, medición de capacitancias, collar caliente) TC’s tipo boquilla (relación, polaridad, resistencia óhmica, saturación y burden)

Verificación y operación de sistemas, accesorios y dispositivos 1. 2. 3. 4.

Mandos eléctricos (cierre, apertura) Mecanismo de operación Bloqueos, alarmas y/o disparos Verificación de la presión y humedad residual del gas SF6 5. Contador de operaciones 6. Indicador de posiciones 7. Operación manual de emergencia 8. Gabinetes de control y cajas auxiliares (sellado, calefacción) 9. Operación de relevadores y contactos auxiliares (conexión y operación) 10. Disparidad de polos


Mantenimiento a Interruptores Las prácticas más usuales para el mantenimiento de este tipo de equipos comprende: a) Mantenimiento menor, incluyendo: Actividades de carácter preventivo como: inspección y pruebas.  Trabajos menores como: limpieza, lubricación, verificación de ajustes, etc. 


Mantenimiento a Interruptores b) Mantenimiento mayor, incluyendo: El desmantelamiento y/o cambio de partes de los principales componentes  Trabajos de reparación por daños ocurridos en operación. 


Mantenimiento a Interruptores La programación de los trabajos de mantenimiento se debe hacer con base en los siguientes criterios: a) b) c) d)

El tiempo en operación. El número de operaciones. Las corrientes interrumpidas (kA acumulados). La combinación de éstos.



Partes de repuesto y Equipos para mantenimiento Para el mantenimiento de los equipos, es fundamental la disponibilidad de lotes de partes de repuesto de los principales componentes del equipo sujetos a posibles daños o deterioro. En el caso de la CFE, los lotes de partes de repuesto están definidos en el Apéndice A de la Especificación NRF-022-CFE-2002, tanto para interruptores de tanque vivo como para interruptores de tanque muerto. En cuanto a equipos para pruebas y mantenimiento, se incluyen entre otros los asociados a pruebas dieléctricas, medición de tiempos de operación, medición de resistencia de contactos y equipos para manejo y tratamiento del gas SF6.


Principales fabricantes de interruptores de alta tensión • • • • • •

ABB AREVA GE-HITACHI MITSUBISHI SIEMENS VATECH







Características particulares Formato para características particulares de interruptores de potencia


Nuevas tecnologías aplicables a interruptores Entre los avances tecnológicos recientes que involucran a los interruptores de potencia se destacan los diseños de subestaciones compactas, conformadas a base de módulos que integran diversos tipos de equipos como son: interruptores, cuchillas, transformadores de instrumento, apartarrayos, entre otros.


Nuevas tecnologías aplicables a interruptores

LTB Compact

HPL Compact



AIM 72,5 a 170 kV

CAIS 72,5 a 170 kV

AIM 420 y 550 kV



TSMAIS 145 kV

TSMAIS 245 a 300 kV


SIMOVER

SIMOVER

SIMOBREAKER

SIMOBREAKER



TH7h

Curso Cfe Equipos Electricos Primarios - Interruptores de Potencia

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