6. descargas electricas-interruptores de potencia

IPNIPN

DESCARGAS ELÉCTRICAS

INTERRUPTORES DE POTENCIA



Dr. Primo Alberto Calva Chavarría



INTRODUCCIÓNINTRODUCCIÓN

AISLAMIENTOELÉCTRICO

AISLAMIENTOELÉCTRICO


AISLAMIENTOSELÉCTRICOS


• AUTORRECUPERABLES

•NO AUTO-RECUPERABLES

• AUTORRECUPERABLES

•NO AUTO-RECUPERABLES




• GASESOS

•SÓLIDOS

•LÍQUIDOS

•VACÍO

• GASESOS

•SÓLIDOS

•LÍQUIDOS

•VACÍO




TECNOLOGÍAS DE CORTE DE CORTE:TECNOLOGÍAS DE CORTE DE CORTE:

•CORTE EN AIRECORTE EN AIRE•CORTE EN ACEITECORTE EN ACEITE•CORTE EN SFCORTE EN SF66

•CORTE EN VACÍOCORTE EN VACÍO•SEMICONDUCTORESSEMICONDUCTORES




REPORTE DE CIGRÉ:REPORTE DE CIGRÉ:

• 70 % FALLAS DE ORIGEN MECÁNICO70 % FALLAS DE ORIGEN MECÁNICO

• 30 % ORIGEN ELÉCTRICO30 % ORIGEN ELÉCTRICO

DESCARGAS ELÉCTRICAS EN GASES

DESCARGAS ELÉCTRICAS EN GASES

• Ley de Boyle y Mariotte:

pV = C = constante, p = presión, V = volumen

• Ley de Gay Lussac:

V/Vo = T/To, T = temperatura en K

Leyes clásicasLeyes clásicas

En grados centígrados:

V/V0 = (273 + ϴ)/273

• Todos los gases se liquefactuan antes de -273 o C

En grados centígrados:

V/V0 = (273 + ϴ)/273

• Todos los gases se liquefactuan antes de -273 o C

R = constante universal de los gases = 8.314 joules/°Kmol


C0Co

pVo = Co

pV = (Co/To)T

pV = RT = C

pV = nC = nRT n = número de moles

pV = nC = nRT n = número de moles


C0Co

N1 / V = N = NA p/RTdonde N es la densidad del gas en un volumen V conteniendo N1 moléculas

Si N = NA = 6.02 = 1023 molecules/mole, NA es el número de Avogadro

pV = (N1 / NA) RT = N1kT ó p = NkT k = R/NA = constante universal de Boltzmann k = 1.3804 x10-23 joules/°K


C0Co

Las ecuaciones fundamentales de la Teoría Cinética de los gases son válidas bajo las

siguientes suposiciones:

1. Los gases consisten de moleculas de la misma e masa y de geometría esférica.

2. Las moléculas están en movimiento continuo y azaroso.

3. Las colisiones son elásticas.

4. La distancia libre media moléculas es mucho más grande que su diámetro.

5. Las fuerzas entre moléculas y para con las paredes del contenedor son despreciables.


C0Co

La velocidad u de las moléculas o partículas del gas tiene una distribución estadística del tipo Boltzmann–Maxwell

F(u) du = dNu/N = (4/√¶) (U/Up)2 [e-(U/Up )2] du/Up

Donde Up es la velocidad más probable y dNu/N es el número relativo de partículas cuyas velocidades están en el intervalo u/up y (u + du)/up.


C0Co

Velocidades medias moleculares a 20°C y 760 Torr

Gas

Elec

trón

H2 O2 N2 Aire CO2 HO2

(vapor)

SF6

U

(m/s)

100

X 103

1760 441 470 465 375 556 199

TRAYECTORIA LIBRE MEDIA


C0Co

La trayectoria libre λ es la distancia entre moléculas ó partículas entre colisiones. Es función de la densidaddel gas.

dn = -n(x) Nπ (r1+ r2 )2 dx

n(x) = número de partículas sobrevivientes después de una distancia x

r1, r2 = radios de las partículas



C0Co

x = λ = 1/[Nπ(r1+ r2 )2 ]

η = √(1 + m1 + m2 )

σ =1/Nλ

λ1 = 1/[πΣ Ni (r1+ r2)2 √(1 + m1 + m2 )]



C0Co

H2 O2 N2 C02

λ

PESO MOLECULAR

TRAYECTORIA LIBRE MEDIA A 15TRAYECTORIA LIBRE MEDIA A 15º º C Y 760 TORRC Y 760 TORR

TIPO DE GAS H2 O2 N2 C02 H2 0 DIMENSIÓN

λ 11.77 6.79 6.28 4.19 4.18 10-8m

PESO MOLECULAR

2.016 32.00 28.020 44.00 18.00

CASO TÍPICOCASO TÍPICO

C0Co

u = 500 m/s

λ = 10-7 m

Frecuencia de colisiones ʋ = 5 colisiones/ns

Tiempo entre colisiones Δt = 0.2 ns

AIRE LIBREAIRE LIBRE

C0Co

• El proceso de interrupción del arco se basa El proceso de interrupción del arco se basa en la deionización natural de los gases por la en la deionización natural de los gases por la acción refrigerante del aire circundante que se acción refrigerante del aire circundante que se encuentra a menor temperatura. encuentra a menor temperatura.

•Para facilitar el corte de corriente se somete alPara facilitar el corte de corriente se somete alarco a un proceso de estiramiento con el fin de arco a un proceso de estiramiento con el fin de aumentar su resistencia y favorecer su aumentar su resistencia y favorecer su enfriamiento. También se pueden emplean enfriamiento. También se pueden emplean diversos métodos para facilitar el corte como diversos métodos para facilitar el corte como son la división y la constricción del arco.son la división y la constricción del arco.

TIPO DE INTERRUPTORES

TIPO DE INTERRUPTORES

C0Co

TENSIONES NOMINALES Y TIPO DE INTERRUPTORES

TÉCNICA TÉCNICA DE CORTEDE CORTE

TENSIONES NOMINALESTENSIONES NOMINALES

kVkV

1 3 24 36 115 245 400

Aire

Aceite

Aire comprimido

SF6

Vacío

TENSIONES NOMINALES Y TIPO DE TENSIONES NOMINALES Y TIPO DE INTERRUPTORESINTERRUPTORES

FALLAS MÁS COMUNES

FALLAS MÁS COMUNES

C0Co

• Fallas del mecanismo de operacióln• Falla estando cerradoFalla estando cerrado

• No cierraNo cierra

• No cierra correctamenteNo cierra correctamente

•No se mantiene cerrado; por ejemplo: por un comando de No se mantiene cerrado; por ejemplo: por un comando de disparo no intencional.disparo no intencional.

• En posición abierto.En posición abierto.

• No abre.No abre.

•No abre correctamente.No abre correctamente.

•No se mantiene abierto, por ejemplo. Por un comando de cierre No se mantiene abierto, por ejemplo. Por un comando de cierre no intencionalno intencional

FALLAS MÁS COMUNES

FALLAS MÁS COMUNES

C0Co

• Fallas debidas a mala aplicación de equiposFallas debidas a mala aplicación de equipos

• La corriente de cortocircuito del sistema excede la La corriente de cortocircuito del sistema excede la nominal del interruptor.nominal del interruptor.

• La TTR del sistema, excede la nominal del interruptor.La TTR del sistema, excede la nominal del interruptor.

• La tensión de operación es mayor que la nominal del La tensión de operación es mayor que la nominal del interruptor.interruptor.

• La corriente de carga es mayor que la nominal del La corriente de carga es mayor que la nominal del interruptor.interruptor.

FALLAS MÁS COMUNES

FALLAS MÁS COMUNES

C0Co

• Fallas debidas a mala aplicación de equiposFallas debidas a mala aplicación de equipos

•Operación frecuente.Operación frecuente.

• Cambio del ciclo de operaciónCambio del ciclo de operación

• Instalación de capacitores en serie o en paralelo o Instalación de capacitores en serie o en paralelo o reactores en paralelo.reactores en paralelo.

• Utilización de un interruptor para propósitos generales, Utilización de un interruptor para propósitos generales, en un ciclo de trabajo específico.en un ciclo de trabajo específico.

• Temperatura ambiente fuera del límite aceptable para el Temperatura ambiente fuera del límite aceptable para el interruptor.interruptor.

FALLAS MÁS COMUNES

FALLAS MÁS COMUNES

C0Co

Fallas por la degradación de aislamiento sólido Fallas por la degradación de aislamiento sólido externo (cerámicas)externo (cerámicas)

• CenizasCenizas

• Emisiones de automóvilesEmisiones de automóviles

• Niebla salinaNiebla salina

• Lluvia ácidaLluvia ácida

• PolvosPolvos

FALLAS MÁS COMUNES

FALLAS MÁS COMUNES

C0Co

• Fallas ocasionadas por tensiones transitoriasFallas ocasionadas por tensiones transitorias

• Descargas atmosféricas.Descargas atmosféricas.

• Operación de interruptores.Operación de interruptores.

•Contacto físico con un sistema de mayorContacto físico con un sistema de mayor tensión.tensión.

•Cortos circuitos repetitivos.Cortos circuitos repetitivos.

FALLAS MÁS COMUNES

FALLAS MÁS COMUNES

C0Co

• Fallas ocasionadas por tensiones transitoriasFallas ocasionadas por tensiones transitorias

•Interrupción de una corriente forzada a suInterrupción de una corriente forzada a su valor cero.valor cero.

•Resonancia en circuitos serie inductivoscapacitivos.Resonancia en circuitos serie inductivoscapacitivos.

•Una tensión transitoria excesivaUna tensión transitoria excesiva

FALLAS MÁS COMUNES

FALLAS MÁS COMUNES

C0Co

Fallas de Resistores, capacitores y transformadores de Fallas de Resistores, capacitores y transformadores de corrientecorriente

• Resistores de apertura y cierre.Resistores de apertura y cierre.

• Capacitores de graduación de tensión y de control Capacitores de graduación de tensión y de control de la TTR.de la TTR.

• Transformadores de corriente.Transformadores de corriente.

FALLAS MÁS COMUNES

FALLAS MÁS COMUNES

C0Co

Fallas por degradación del SF6Fallas por degradación del SF6

Fallas debidas a animalesFallas debidas a animales

Fallas por mala manufactura y mal mantenimientoFallas por mala manufactura y mal mantenimiento

Fallas del dieléctrico y cámaras de interrupciónFallas del dieléctrico y cámaras de interrupción

Fallas por pérdida de SFFallas por pérdida de SF66

Fallas por licuefacción del SFFallas por licuefacción del SF6 6

Fallas por degradación del SFFallas por degradación del SF66

Fallas debidas a la degradación del aislamiento internoFallas debidas a la degradación del aislamiento interno

FALLAS MÁS COMUNES

FALLAS MÁS COMUNES

C0Co

Fallas de las cámaras de interrupciónFallas de las cámaras de interrupción

•Las tolerancias de fabricación inadecuadas delos contactos principales, de los contactos dearqueo, así como de las toberas, pueden seruna causa de falla.

•Si la velocidad de apertura esta fuera detolerancia puede ser causa de falla. En estecaso la búsqueda de la falla se debe dirigir aldaño causado por el arco, así como a lamedición del viaje de contactos antes y despuésde la falla.

•Otra causa de falla puede ser una baja depresión en el gas de extinción.

• El desgaste excesivo de contactos y toberas,puede también cuasar la falla de la cámara deextinción

FALLAS MÁS COMUNES

FALLAS MÁS COMUNES

C0Co

Interruptores en SFInterruptores en SF66 doble presión doble presión

•Operan con gas a alta densidad, por lo que laOperan con gas a alta densidad, por lo que lalicuefacción se puede dar a temperatura ambiente.licuefacción se puede dar a temperatura ambiente.

•Los interruptores de doble presión tienen más Los interruptores de doble presión tienen más sellos y conexiones que pueden dar lugar a una sellos y conexiones que pueden dar lugar a una falla.falla.

FALLAS MÁS COMUNES

FALLAS MÁS COMUNES

C0Co

Interruptores de gran volumen de aceiteInterruptores de gran volumen de aceite

•Fallas dieléctricas:Fallas dieléctricas:

•Deterioro interno de la boquilla por fuga de aceite, humedad o Deterioro interno de la boquilla por fuga de aceite, humedad o “traking”.“traking”.

•Infiltración de agua en el tanque principal de aceite.Infiltración de agua en el tanque principal de aceite.

• Deterioro y/o “traking” de la varilla de operación.Deterioro y/o “traking” de la varilla de operación.

•Juntas flojas y fuga de aceite.Juntas flojas y fuga de aceite.

•Carbonización del aceite.Carbonización del aceite.

FALLAS MÁS COMUNES

FALLAS MÁS COMUNES

C0Co


•Fallas de interrupción:Fallas de interrupción:

•Deterioro de los contactos de arqueo, o de los deflectores Deterioro de los contactos de arqueo, o de los deflectores de las cámaras de extinción.de las cámaras de extinción.

•Falla evolutiva (persistencia del arco con incremento de Falla evolutiva (persistencia del arco con incremento de energía).energía).

•Mecanismo con mucha fricción o atorado.Mecanismo con mucha fricción o atorado.

•Calentadores del tanque en mal estado.Calentadores del tanque en mal estado.

FALLAS MÁS COMUNES

FALLAS MÁS COMUNES

C0Co



•Problemas del sistema de control e interbloqueos.Problemas del sistema de control e interbloqueos.

•Apertura sin hacer el ciclo completo de cierre.Apertura sin hacer el ciclo completo de cierre.

•Falla por bombeo.Falla por bombeo.

FALLAS MÁS COMUNES

FALLAS MÁS COMUNES

C0Co

Interruptores en vacíoInterruptores en vacío

• Fallas del medio aislante.Fallas del medio aislante.

•Fallas de interrupción.Fallas de interrupción.

•Fallas del mecanismo de operación.Fallas del mecanismo de operación.

FALLAS MÁS COMUNES

FALLAS MÁS COMUNES

C0Co

Interruptores de soplo magnéticoInterruptores de soplo magnético

• Fallas de interrupción:Fallas de interrupción:

•Falla del soplo a bajas corrientes si el arco no entra en la tolva de extinción.

•Falta de mantenimiento de los contactos de arqueo de la tolva de extinción.

•Operación lenta o anclado del mecanismo por causa de exceso de fricción por deterioro o falta de antenimiento.

d) Bobinas de soplo desconectadas o conectadas incorrectamente

FALLAS MÁS COMUNES

FALLAS MÁS COMUNES

C0Co

Interruptores de aire a presiónInterruptores de aire a presión

• Fallas dieléctricas:Fallas dieléctricas:

•Baja presión del gas aislante (cuando existe).Baja presión del gas aislante (cuando existe).

•Baja presión de aire (especialmente con el interruptor Baja presión de aire (especialmente con el interruptor abierto).abierto).

•Aire húmedo.Aire húmedo.

•Falla de capacitores graduadores.Falla de capacitores graduadores.

•Aisladores contaminados.Aisladores contaminados.

•Juntas flojas y con fugas.Juntas flojas y con fugas.

FALLAS MÁS COMUNES

FALLAS MÁS COMUNES

C0Co


• Fallas de interrupción:Fallas de interrupción:

•Bombeo, por problemas de los controles o de las Bombeo, por problemas de los controles o de las válvula piloto.válvula piloto.

•Falla de los bloqueos.Falla de los bloqueos.

•Tiempos de operación fuera de los límites.Tiempos de operación fuera de los límites.

•Entrada y salida de los resistores de interrupción fuera Entrada y salida de los resistores de interrupción fuera de límites.de límites.

FALLAS MÁS COMUNES

FALLAS MÁS COMUNES

C0Co



•Falla de los resistores.Falla de los resistores.

•Apertura del mecanismo sin el soplo de aire Apertura del mecanismo sin el soplo de aire correspondiente.correspondiente.

• Falla de las líneas de alimentación de aire durante la Falla de las líneas de alimentación de aire durante la interrupción.interrupción.

FALLAS MÁS COMUNES

FALLAS MÁS COMUNES

C0Co

Interruptores de pequeño volumen de aceiteInterruptores de pequeño volumen de aceite

•Fallas dieléctricas:Fallas dieléctricas:

•Fallas en los capacitores graduadores.Fallas en los capacitores graduadores.

•Ingreso de humedad en la cámara de interrupción.Ingreso de humedad en la cámara de interrupción.

•Superficies aislantes externas contaminadas.Superficies aislantes externas contaminadas.

Degradación del aceite aislante debido a la carbonización Degradación del aceite aislante debido a la carbonización y/o a la infiltración de agua.y/o a la infiltración de agua.

•Operación a magnitudes de interrupción y operación, Operación a magnitudes de interrupción y operación, más allá de los valores nominales.más allá de los valores nominales.

FALLAS MÁS COMUNES

FALLAS MÁS COMUNES

C0Co



•Velocidad de apertura de los contactos fuera de sus Velocidad de apertura de los contactos fuera de sus límites.límites.

•Reencendido del arco al interrumpir cargas capacitivas.Reencendido del arco al interrumpir cargas capacitivas.

•Bloqueo en el mecanismo de operación.Bloqueo en el mecanismo de operación.

•Degradación de aislamiento sólido interno.Degradación de aislamiento sólido interno.

FALLAS MÁS COMUNES

FALLAS MÁS COMUNES

C0Co



•Degradación del aceite por carbonización y/o infiltración Degradación del aceite por carbonización y/o infiltración de agua.de agua.

•Pérdida de presión dentro de las cámaras dePérdida de presión dentro de las cámaras deinterrupcióninterrupción

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