La revista tcnica corporativareview

ABB

Interruptor hbrido para HVDC 6Respirar bajo tierra 35Mantenimiento por adelantado 64100 aos de electrnica de potencia 70

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Tecnologa de vanguardia

larevista

ABB

2 ABB review 2|13

La presa Atatrk en el Efrates, en Turqua, se termin en 1993. El embalse de 817 km2 que forma puede contener 48,7 km3 de agua. ABB entreg los ocho generadores de 300 MW. La empresa acaba de modernizar los sistemas de control y excitacin y ha instalado un nuevo sistema SCADA con acceso a distancia y un sistema de automati-zacin 800xA. Esta pgina ilustra la enorme central con los sistemas de excitacin situados sobre las turbinas de generacin montadas en vertical (se ven las tapas en el suelo). La portada de la revista corresponde a la central italiana de ciclo combinado de Sorgenia Bertonico-Turano Lodigliano, para la que ABB ha suministrado un sistema de control Symphony Plus.

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ndice

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Innovacin revolucionariaEl interruptor HVDC hbrido de ABB es una innovacin revolucionaria que abre el camino a las redes HVDC fiables

Abriendo caminoUn interruptor con capacidad para conmutar 15 grandes centrales elctricas

El chip dos en unoEl transistor bimodal de puerta aislada (BIGT)

Admitancia fcilLa funcin de proteccin de fallo a tierra definitiva para redes compensadas

Contacto limpioTecnologa de contactores para conmutacin de potencia y control de motores

Respiracin profundaOptimizacin del caudal de aire en las minas subterrneas

A toda marchaTecnologa para mejorar la productividad de la minera

Mina de informacinIntegracin de equipos mviles en la minera subterrnea

El sistema OCTOPUS-OnboardSistema de ABB para control del movimiento, prediccin de la respuesta y apoyo a la decisin con mal tiempo

Convergencia de las salas de controlLa fusin de la supervisin industrial y los sistemas de control con las operaciones de los centros de datos

Virtualmente hablandoEmulacin de interfaz DCS-a-subsistema empleando SoftCI

CRIMIdentificacin de la mejor estrategia de mantenimiento para plantas de procesamiento complejas

Del el arco de mercurio al interruptor hbrido100 aos de electrnica de potenciaEternos

pioneros

Vigilancia y control

Recursos mineros

Un abanico de conmutadores

ndice

ABB review 2|13 4

Editorial

Prith Banerjee

aplicaciones se encuentra en el interruptor hbrido. Siguiendo con la conmutacin y sus aplicaciones, un artculo histrico repasa los cien aos de actividad de la empresa en el campo de la electrnica de potencia. El centro de atencin son los propios dispositivos de conmutacin. Estamos preparando un reportaje sobre las aplicaciones para un prximo nmero.

En otro orden de cosas, esta edicin de la ABB Review recoge varios artculos sobre minera con una seleccin de aportaciones de ABB a este sector. Otros artculos se centran en las actividades de la empresa en campos como los buques para transporte pesado, los centros de datos, la simulacin de grandes plantas de produccin y la planificacin del mantenimiento.

Pero la electricidad no es lo nico que se conmuta. A partir de este nmero incorporare-mos varios cambios a la propia revista. Los lectores de lenguas distintas del ingls notarn que el nombre ha cambiado a ABB Review para crear una identidad uniforme reconocible en todos los idiomas. Otra novedad para quienes lean la revista en formato electrnico es un boletn distribuido por correo electrnico pensado para que no se pierdan un solo nmero (puede suscribirse en el interior de la contraportada). En los prximos nmeros anunciaremos otros cambios. Pese a esta evolucin de la forma y la presentacin, ABB Review sigue comprometida con el elevado nivel de su contenido.

Por ltimo, y siendo este el ltimo nmero de ABB Review durante mi mandato como Director de Tecnologa de ABB, quisiera despedirme de todos los lectores confiando en que continuarn fieles a la revista.

Que disfrute de la lectura.

Prith BanerjeeDirector de TecnologaABB Ltd.

Estimado lector:Los conmutadores son la esencia de casi cualquier sistema elctrico o electrnico. Desde los microprocesadores de lgica integrada de los sistemas de control en un extremo de la escala hasta los gigantescos interruptores que controlan las redes elctricas en el otro, los equipos de conmutacin estn en la base de casi todas las actividades de ABB y, en realidad, de casi toda la tecnologa. ABB investiga continuamente a forma de ensanchar los lmites de la capacidad de conmutacin para permitir nuevas aplicacio-nes. En muchos casos, esto obliga a forzar los lmites de las aplicaciones actuales. De vez en cuando, surge una innovacin revolucionaria que cambia las reglas del juego y redefine el mercado. El interruptor hbrido de CC pertenece sin duda a esta categora.

ABB lleva varios decenios a la cabeza de la tecnologa de CC de alta tensin (HVDC) que permite el transporte de electricidad con prdidas reducidas y con un elevado grado de control a grandes distancias. La empresa va ms all de las lneas de transporte aisladas y cree que el esqueleto de la red elctrica del futuro ser una red HVDC. Igual que la CA, la CC necesita interruptores, por ejemplo, para aislar secciones enteras con seguridad en caso de alteraciones sin apagar todo el sistema. Pero hay grandes diferencias entre interrumpir la corriente alterna y la corriente continua que no pueden superarse cambiando la escala de las actuales soluciones para CA. ABB ha superado estas dificultades con un interruptor hbrido, llamado as porque combina la tecnologa de conmutacin convencional con los semiconductores. Esta tecnologa acaba de ser reconocida por la MIT Technology Review como una de las 10 mayores innovaciones de 2012. El interrup-tor hbrido es el tema del primer artculo de este nmero de la ABB Review.

Dentro de este apartado, la revista recoge otros artculos sobre conmutacin que cubren distintas aplicaciones y lmites de potencia, desde la CA de alta tensin hasta el control de motores sin olvidar el nuevo dispositivo semi- con ductor de ABB: el BIGT, una de cuyas

Tecnologa de vanguardia

5Editorial

6 ABB review 2|13

7Innovacin revolucionaria

MAgnUS CALLAVIk, AnDERS BLOMBERg, JRgEn HfnER, BJRn JACOBSOn ABB y las empresas que le precedieron fueron la avanzadilla de la tecnologa HVDC (corriente continua de alta tensin), que permite el transporte de la electricidad a grandes distancias y con prdidas reducidas. Todas las lneas HVDC tendidas hasta la fecha han sido enlaces punto a punto. Las posibilidades de esta tecnologa se ampliaran mucho si pudiesen construirse lneas de ms de dos terminales y avanzar hacia el tendido de redes HVDC. Pero la falta de un interruptor capaz de manejar las tensiones y las velocidades necesarias y con unas prdidas aceptables haba impedido hasta ahora el surgimiento de estas topologas en HVDC. Todo esto ha cambiado con el lanzamiento del nuevo interruptor HVDC de ABB.

El interruptor HVDC hbrido de ABB es una innovacin revolucionaria que abre el camino a las redes HVDC fiables

Innovacin revolucionaria

Imagen del ttuloEl interruptor hbrido de ABB es una de las mayores innovaciones en la historia de la empresa. Por fin, las redes de CC pueden convertirse en una realidad.

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utilizan interruptores mecnicos para apli-caciones como la extincin de corrientes de fallo. Otro inconveniente de los inte-rruptores mecnicos es que necesitan ms componentes para generar el cruce de la corriente cero, de modo que sta deja de fluir.Los interruptores HVDC basados en se-miconductores pueden superar fcilmen-te la limitacin de la velocidad de funcio-namiento; pero como los semiconducto-res permanecen siempre en la trayectoria de la corriente, generan prdidas de con-duccin que suelen ser del orden del 30 por ciento de las prdidas de la esta-cin convertidora.En la figura 1a se ilustra una red HVDC. En 1b se recoge un circuito con un inte-rruptor HVDC mecnico, y en 1c se represen tan los transitorios que se produ-cen durante la interrupcin. La intensidad empieza a aumentar cuando se produce el fallo (la velocidad del aumento est deter minada por la inductancia del reac-tor de la lnea). Cuando se abre el inte-rruptor, la corriente se conmuta al descar-gador y empieza a disminuir. La corriente de fallo de la batera de descargadores crea una contratensin que reduce la corriente de fallo a cero disipando la ener-ga almacenada en el reactor HVDC y en la trayectoria de la corriente de fallo.El tiempo total de aislamiento del fallo comprende: el tiempo durante el cual la corriente

aumenta antes de conmutacin; La duracin de su disminucin

mientras se asla la lnea.

una aplicacin de CA comparable debido a la menor impedancia de las lneas (esto significa que la cada de tensin causada por un fallo puede propagarse ms depri-sa). Normalmente, un cortocircuito debe solucionarse en 5 ms para no afectar a centrales convertidoras situadas hasta a 200 km. Como las centrales convertido-

ras se basan por lo general en una ten-sin de CC de al menos el 80 por ciento del valor nominal para garantizar el fun-cionamiento normal, los fallos deben superarse en tiempos del orden de milsi-mas de segundo.Un interruptor HVDC exclusivamente me-cnico puede retirar una lnea en varias decenas de milsimas de segundo, un tiempo excesivo para cumplir los requisi-tos de una red HVDC fiable [2]. Pero se

E n comparacin con las redes de CA de alta tensin, las prdi-das de potencia activa durante la conduccin en lneas HVDC

son relativamente bajas, y las prdidas por potencia reactiva son nulas, lo que hace de las redes HVDC una propuesta muy atractiva para el transporte a larga distancia [1], una cuestin que cobra especial inters a la vista del rpido creci-miento de la generacin a partir de fuen-tes renovables. Pero el interruptor hbrido no necesita esperar hasta el desarrollo completo de redes HVDC para entrar en accin. Muchas de las actuales propuestas de transporte incluyen enlaces HVDC punto a punto en los que intervienen interrupto-res hbridos. Adems de convertir la elec-tricidad, las centrales de conversin HVDC pueden contribuir al mismo tiempo a la estabilidad de las redes de CA con-trolando la potencia reactiva. Si el conver-tidor puede desconectarse rpidamente de la lnea HVDC en caso de avera, la central convertidora puede entrar directa-mente en funcionamiento autnomo como unidad de compensacin esttica (STATCOM) y seguir apoyando la estabili-dad de la red de CA.Los interruptores de HVDC deben cumplir unas exigencias tcnicas elevadas. El tiempo permitido para interrumpir una corriente es ms breve que en el caso de

Un tiempo de aisla-miento ms corto plantea menos requisitos de disi-pacin de la co-rriente en la batera de descargadores, pero exige ms ca-pacidad de tensin en el descargador.

1 Representacin de un interruptor de HVDC en una red de HVDC

1a Los puntos azules representan estaciones convertidoras en una red de HVDC

1b Interruptor de HVDC

1c Principio de funcionamiento

VCC

VCC

IArrester

Iconmutacin

Intensidad de ruptura

Tiempo de ruptura

LCC

ICC

VInterruptor

9Innovacin revolucionaria

Los dos tiempos son importantes para el diseo y el coste del interruptor HVDC y del reactor de la lnea.El tiempo de corte est determinado por el tiempo de respuesta de la proteccin y por el tiempo de accionamiento del con-mutador HVDC. Un tiempo de interrup-cin ms largo exige que el conmutador HVDC tenga una capacidad mxima de interrupcin de corriente ms alta. Esto tambin aumenta la energa que manipula el descargador y, en consecuencia, incre-menta el coste del interruptor HVDC. Por tanto, es importante acortar todo lo posi-ble el tiempo de interrupcin. Cuando el tiempo de interrupcin y la capacidad mxima de intensidad de interrupcin estn determinados, el nico parmetro ajustable que queda es la inductancia del reactor HVDC (que regula la velocidad de aumento de la corriente). El tamao del reactor HVDC puede a su vez estar limita-do por muchos factores, como el coste y la estabilidad de la red HVDC.El tiempo permitido para el aislamiento de fallos afecta a la capacidad de tensin necesaria del descargador y a la protec-cin de la tensin del polo. Un tiempo de aislamiento ms corto plantea menos requisitos de disipacin de la corriente en la batera de descargadores, pero exige ms capacidad de tensin en el descar-gador. Esto se materializa en una tensin nominal entre polos mayor que aumenta el coste del interruptor HVDC.El ejemplo siguiente proporciona una im-presin general de la relacin entre los parmetros mencionados. Suponiendo un tiempo de interrupcin de 2 ms, que

Adems de conver-tir la electricidad, las estaciones con-vertidoras HVDC pueden contribuir simultneamente a la estabilidad de la red de CA median-te el control de la potencia reactiva.

es posible para un conmutador HVDC a base de semiconductores, y una lnea de fallo HVDC prxima al patio de maniobras HVDC, el aumento mximo de la inten-sidad de fallo ser de 3,5 kA/ms para un reactor HVDC de 100 mH en una red HVDC de 320 kV con una sobretensin mxima del 10 por ciento. Para una inten-sidad de lnea nominal de 2 kAk la capa-cidad mnima de interrupcin necesaria del interruptor HVDC sera de 9 kA.

El interruptor HVDC hbridoEl interruptor HVDC hbrido 2 se basa en la disposicin ilustrada en 2b, pero tiene la ramificacin complementaria 2a. Esta ramificacin consta de un conmuta-dor de carga semiconductor 2c conec-tado en serie a un seccionador mecnico rpido 2b.Durante el funcionamiento normal, la corriente circula nicamente por la deriva-cin 2a. Cuando se produce un fallo de HVDC, la conmutacin de carga desva inmediatamente la corriente hacia el inte-rruptor HVDC principal 2d. Como la ra-mificacin 2a ya no lleva corriente alguna, el seccionador 2b se abre y de este modo protege el conmutador de car-ga 2c de la tensin del primario, que au-menta en el interruptor HVDC principal. Por tanto, la tensin necesaria de la con-mutacin de carga se reduce sustancial-mente en comparacin con un compo-nente que permanece en la trayectoria principal de la corriente durante el ciclo de conmutacin. La tensin nominal solo debe superar la tensin del interruptor HVDC principal en estado activado, que

2 Interruptor hbrido de HVDC

Interruptor hbrido de CC

a La rama de la corriente principal (cuando circula corriente) incluye:

b Interruptor de HVDC con seccionador mecnico rpido

c Conmutador de carga (basado en semiconductores)

d Interruptor principal de HVDC compuesto por:

e Interruptor de semiconductores

f Batera de descargadores

g Interruptor de corriente residual h Reactancias de limitacin de intensidad

b c

a

h

g

d

f

e

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elevacin en la intensidad de la lnea. La duracin mxima del modo de limitacin de la intensidad depende de la capacidad de disipacin de la energa de las bateras de descargadores 3d.Es posible una proteccin de reserva rpida similar a la de un interruptor semi-conductor puro para los interruptores

HVDC hbridos del patio de manio-bras HVDC. La so-brecorriente de la lnea o la protec-cin del patio de maniobras de nivel superior puede ac-tivar la transferen-cia de intensidad desde la deriva-cin hacia al inte-rruptor HVDC prin-cipal o hacia los posibles interrup-

tores de reserva antes de la seal de dis-paro de la proteccin de reserva. En caso de fallo del interruptor, los interrup-tores de reserva pueden activarse casi instantneamente, por lo general en menos de 0,2 ms. Esto evita perturba-ciones mayores en la red HVDC y man-tiene la capacidad necesaria de corte de corriente del interruptor de reserva en un valor razonable.

Diseo del prototipoEl prototipo de interruptor HVDC hbrido se ha diseado para una capacidad de interrupcin de 9,0 kA en una red HVDC

tura del seccionador es inferior al tiempo necesario para la proteccin selectiva. La conmutacin proactiva de la intensidad se inicia en la proteccin de sobrecorrien-te incorporada al interruptor HVDC hbri-do en cuanto la intensidad de la lnea HVDC supera un valor predefinido de so-breintensidad 3a. El interruptor HVDC

principal demora la interrupcin de la corriente hasta que recibe una seal de disparo o hasta que la corriente de la lnea averiada est prxima a la capaci-dad mxima de interrupcin de intensi-dad del interruptor HVDC principal 3b.Para prolongar el tiempo antes de que la funcin de autoproteccin del interruptor HVDC principal dispare el interruptor HVDC hbrido, el interruptor HVDC princi-pal puede funcionar en modo de limita-cin de la intensidad antes de la interrup-cin 3c. El interruptor HVDC principal controla la cada de tensin en el reactor HVDC hasta cero para evitar una nueva

normalmente es del orden de un kilovoltio para un interruptor HVDC de 320 kV. Teniendo en cuenta esta reducida tensin de bloqueo de carga, la tensin en estado activado del conmutador de carga es tpi-camente del orden de solo algunos vol-tios. Las prdidas en estado activado del interruptor HVDC hbrido se reducen, pues, a un porcentaje de las prdidas de un interruptor semiconductor puro, o al 0,01 por ciento de la potencia transmitida.El interruptor HVDC principal semicon-ductor 2d se separa en varias seccio-nes con bateras individuales de descar-gadores 2f dimensionadas para la ca-pacidad mxima de interrupcin de ten-sin e intensidad. Una vez aislada la ave-ra, un interruptor seccionador de circui-to 2g interrumpe la corriente residual y asla la lnea averiada de la red HVDC para proteger las bateras de descarga-dores de la sobrecarga trmica.El conmutador mecnico 2b se abre con intensidad cero y a una tensin redu-cida, y por tanto puede trabajar como seccionador con un sistema de contactos ligero. El seccionador rpido no quedar expuesto a la tensin mxima entre polos definida por el nivel de proteccin de las bateras de descargadores hasta des-pus de alcanzada la posicin abierta. Los accionamientos Thomson [4] determi-nan tiempos de apertura breves y un diseo de seccionador compacto usando SF6 como medio de aislamiento.El control proactivo del interruptor HVDC hbrido permite compensar la demora del seccionador rpido si el tiempo de aper-

El control proactivo del inte-rruptor HVDC hbrido permite compensar la demora del sec-cionador rpido si el tiempo de apertura del seccionador es inferior al tiempo necesario para la proteccin selectiva.

5 Circuito de prueba de componentes de interruptor HVDC

3 Control del interruptor hbrido de HVDC Diseo de clula de interruptor principal de HVDC de 80 kV

I (A

)

t (ms)Proteccin selectiva

Limitacin de intensidad

Conmutacin proactiva

Retardo

Intensidad de ruptura mxima

Posicin del interruptor de HVDC de IGBT

Puerta

Fallo S

ecci

onad

or r

pid

o en

pos

ici

n d

e ab

iert

o

Posiciones del interruptor HVDC de IGBT sometido a prueba

0...4 kV

Q1

Q2

Q3

22 k

1 k

120 H

4,4 mF

4,4 mF

a

c

b

ed

a El LCS se abre (LCS: conmutador de carga)

b Proteccin de intensidad mxima del interruptor principal de HVDC

c Limitacin de intensidad

d Seal externa de disparo de proteccin selectiva del interruptor principal de HVDC

e Proteccin de temperatura mxima del interruptor principal de HVDC

11

con una tensin nominal de 320 kV y una intensidad nominal de transporte de 2 kA.La capacidad de interrupcin mxima es independiente de la intensidad nominal, y depende nicamente del diseo del inte-rruptor HVDC principal. El seccionador rpido y el interruptor HVDC principal se han diseado para tensiones de conmu-tacin de ms de 1,5 p.u. para tener en cuenta las elevadas tensiones transitorias que se producen durante el corte de la corriente.El interruptor HVDC principal 2d consta de varias celdas de interruptores HVDC con bateras de descargadores individua-les que limitan la tensin mxima en cada celda 2e a un valor concreto durante la interrupcin. Cada celda del interruptor HVDC contiene cuatro pilas de interrupto-res HVDC 4.Hacen falta dos pilas para interrumpir la corriente en cualquiera de las direcciones de sta.Cada pila est formada por hasta 20 posi-ciones de corte HVDC IGBT conectadas

en serie. Debido al gran esfuerzo di/dt durante la interrupcin de la corriente, se ha adoptado un diseo mecnico con

Innovacin revolucionaria

Cada pila est formada por hasta 20 posiciones de inte-rrupcin HVDC IGBT conecta-das en serie.

El conmutador mecnico se abre cuando la corriente es cero y con un esfuerzo de tensin reducido y, por tan-to, puede construir-se como secciona-dor con un sistema de contactos ligero.

baja inductancia parsita. La aplicacin del paquete de IGBT con una tensin no-minal de 4,5 kV [6] permite crear una pila de diseo compacto y garantiza un modo estable de fallo por cortocircuito en caso de avera de un componente individual. RCD individuales de seguridad montados en cada mdulo IGBT garantizan la distri-bucin igualitaria de la tensin durante la interrupcin de la corriente. Las unidades de puerta de accionamiento ptico per-miten el funcionamiento del interruptor HVDC IGBT con independencia de las condiciones de intensidad y tensin de la red HVDC. Las pilas de IGBT no nece-sitan sistema de refrigeracin, pues las celdas del interruptor HVDC principal no estn expuestas a la corriente de la lnea durante el funcionamiento normal.Para el diseo del conmutador de car-ga 2c basta un mdulo interruptor HVDC IGBT por cada direccin de la corriente para cumplir los requisitos de la tensin nominal. La conexin en para-lelo de mdulos IGBT aumenta la inten-

sidad nominal del interruptor HVDC hbrido. Los mdu-los de interruptor HVDC IGBT redun-dantes conectados en serie mejoran la fiabilidad del con-mutador de carga. Para este diseo

se escogi una matriz de 3 3 posiciones IGBT para cada direccin de la corriente. Hace falta un sistema de refrigeracin,

6 Pruebas de cargas mximas en las posiciones de interruptor HVDC de IgBT (los trazos de la derecha han sido aumentados de tamao)

Corriente de limitacin Tensin del interruptor de CC

Intensidad del interruptor de CC Tensin de posicin

Aumento de tensin

Sin saturacin

-800 0-600 10-400 20-200 300 50200 60400 600-2

-2

-1,000 -10

0

0

2

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12Te

nsi

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V) o

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A)

Tens

in

(kV

) o in

tens

idad

(kA

)

Tiempo (s) Tiempo (s)

Fallo de posicin

Correcto

pues el conmutador est expuesto conti-nuamente a la corriente de la lnea.

Resultados de las pruebasSe utiliz un prototipo a escala reducida de la celda del interruptor principal con tres mdulos IGBT conectados en serie y una batera comn de descargadores para verificar la capacidad de interrupcin de corriente de los IGBT StakPak de 4,5 kV [6] en el primer circuito de prueba 5.Se conect un cuarto mdulo IGBT en la direccin contraria de la corriente prima-ria para verificar el funcionamiento del diodo antiparalelo incorporado. La des-carga de un banco de condensadores por un tiristor, limitada solo por un reactor CC menor, represent los fallos de polo a tierra en la red HVDC.La capacidad mxima de interrupcin de corriente de la celda del interruptor HVDC IGBT est determinada por la corriente de saturacin de los mdulos IGBT 6 (no por el rea de funcionamiento segu-ro, como es normal en aplicaciones de convertidor de fuente de tensin). Las posiciones IGBT conectadas en serie del interruptor HVDC pueden conmutar la corriente de la lnea de los circuitos de seguridad RCD en 2 s, limitando as la velocidad de aumento de la tensin en las posiciones a 300 V/s. La conmuta-cin a tensin cero reduce las prdidas por conmutacin instantnea y garantiza una distribucin uniforme de la tensin con independencia de las tolerancias de las caractersticas de conmutacin de los mdulos IGBT aplicados.

12 ABB review 2|13

Se verific una corriente de interrupcin mxima de 9 kA. La tensin en la celda del interruptor HVDC fue superior a 120 kV durante la conmutacin de la corriente. Por tanto, la capacidad de interrupcin de una celda HVDC de 80 kV es superior a 1 GVA.Adems, solo se observ una distribucin igualitaria de la tensin con una cada de tensin mxima de 3,3 kV y una disper-sin inferior al 10 por ciento para las posi-ciones IGBT individuales del interruptor HVDC de la celda del interruptor HVDC.

Resultados de las pruebasLa configuracin de pruebas del interrup-tor principal se ampli para verificar el concepto completo de interruptor HVDC hbrido. Se instalaron un segundo banco de condensadores y grandes reactores para limitar la velocidad del aumento de la corriente de lnea a los valores tpicos de

La corriente de lnea conmuta desde el circuito de seguridad RCD a la ruta del descargador una vez que la tensin comn en las posiciones del interruptor HVDC IGBT ha alcanzado el nivel de pro-teccin de la batera de descargadores.Las posiciones del interruptor HVDC IGBT pasaron las pruebas de esfuerzo para intensidades de interrupcin inferio-res a 10 kA.Para intensidades mayores, la corriente de saturacin del IGBT provoca una cada inmediata de tensin a lo largo de los mdulos IGBT. Durante una prueba des-tructiva intencionada, la disipacin de ca-lor en el interior del mdulo IGBT destru-y los chips IGBT encapsulados. Debido al uso de IGBT empaquetados, se cre un cortocircuito fiable sin destruccin mecnica del mdulo IGBT fallido. Como durante la prueba solo fall uno de los mdulos IGBT, la avera pudo ser aislada por los otros dos mdulos.La tensin HVDC nominal en cada celda del interruptor HVDC IGBT es de 80 kV.Debido al elevado valor de tensin, la se-gunda instalacin de prueba necesit mucho ms espacio. El circuito de prue-ba del concepto del interruptor HVDC hbrido se ilustra en 7.La tensin HVDC deseada se cre car-gando el banco de condensadores C1.El reactor L1 se eligi para garantizar la derivada de la intensidad esperada (di/dt) durante un fallo de cortocircuito. El fallo de cortocircuito se inici con el salto de la chispa Q5.En 8 se ilustra un resultado de prueba tpico.

Las pruebas de verificacin satis-factorias a nivel de dispositivo y de componente de-mostraron el rendi-miento de los com-ponentes. Ahora el interruptor HVDC hbrido completo se ha verificado en una instalacin de demostracin en ABB.

La introduccin de la tecnologa de transistor de puerta aislada bimodal (BIGT) duplicar la capacidad de inte-rrupcin de corrien-te de los mdulos empaquetados.

7 Circuito encapsulado de prueba de interruptores de HVDC de ABB

Q1 Q10 DC+

Q24

Q25 Q21 Q22 Q5

Q23C1

Q11 L1 T1

Q42

Q43

T2

T3

F1

Q41Exterior patio 150 kV CC

Circuito de prueba de interruptores de CC

Interruptor hbrido de CC sometido a prueba

13Innovacin revolucionaria!

una red HVDC. Se incluyeron en la confi-guracin del sistema el seccionador ultra-rrpido y el conmutador de carga.La verificacin satisfactoria a nivel de dis-positivo y de componente ha demostrado el comportamiento de los componentes. Ahora, el interruptor HVDC hbrido com-pleto se ha verificado en una instalacin de demostracin en ABB. En 9 se ilus-tra un episodio de corte con una intensi-dad mxima de 9 kA y una demora de 2 ms para la apertura del seccionador ultrarrpido en la rama paralela al inte-rruptor principal.La intensidad mxima nominal de fallo de 9 kA es el lmite de la actual generacin de semiconductores. La prxima genera-cin admitir el corte de corrientes de hasta 16 kA.La finalidad de las pruebas era verificar el funcionamiento de conmutacin de los componentes electrnicos de potencia y la velocidad de apertura del seccionador mecnico ultrarrpido. El conjunto proba-do estaba formado por una celda de inte-rruptor principal unidireccional de 80 kV junto con el seccionador ultrarrpido y el conmutador de carga. La elevada tensin se consigue conectado en serie varias clulas de interruptor. Las pruebas no se han limitado a los incidentes normales de interrupcin, sino que han cubierto tam-bin situaciones en las que fallan compo-nentes del interruptor.

Perspectivas futurasLa aparicin de tecnologas de transistor de puerta aislada bimodal (BIGT) [7] que incorporan la funcin de diodo de con-

Referencias[1] E. Koldby, M. Hyttinen Challenges on the Road

to an Offshore HVDC Grid, (Nordic Wind Power Conference, Bornholm, Sept. 2009)

[2] A. Ekstrom, H. Hartel, H. P. Lips, W. Schultz, D. Kind Design and testing of an HVDC circuit breaker, (Cigre session 1976, paper 1306)

[3] C.M. Franck HVDC Circuit Breakers: A Review Identifying Future Research Needs, (IEEE Trans. on Power Delivery, vol. 26, pp. 9981007, abril de 2011)

[4] J. Magnusson, O. Hammar, G. Engdahl Modelling and Experimental Assessment of Thomson Coil Actuator System for Ultra Fast Mechanical Switches for Commutation of Load Currents, (International Conference on New Actuators and Drive Systems, Bremen, 1416 de junio de 2010)

[5] G. Asplund HVDC switch for current limitation in a HVDC transmission with voltage source converters, (patente europea EP0867998B1)

[6] S. Eicher, M. Rahimo, E. Tsyplakov, D. Schnei-der, A. Kopta, U. Schlapbach, E. Caroll 4.5 kV Press Pack IGBT Designed for Ruggedness and Reliability, (IAS, Seattle, octubre de 2004)

[7] M. Rahimo, A. Kopta, U. Schlapbach, J. Vobecky, R. Schnell, S. Klaka The Bi-mode Insulated Gate Transistor (BiGT) A potential technology for higher power applications, (Proc. ISPSD09, p. 283, 2009)

[8] J. Hafner, B. Jacobson, Proactive Hybrid HVDC Breakers A key innovation for reliable HVDC grids, (Cigre Bologna, Paper 0264, 2011) J. Hafner, B. Jacobson, Martillos HVDC Hbridos Proactivos-UNA innovacin clave para redes fiables y HVDC, (Cigre Bologna, papel 0264, 2011)

duccin inversa en los chips IGBT dupli-car la capacidad de corte de corriente de los actuales mdulos empaquetados (vase tambin El chip dos en uno, en las pginas 1923 de este nmero de la Revista ABB).Los interruptores HVDC rpidos, fiables y con prdidas casi nulas y los limitadores de corriente basados en el concepto de interruptor HVDC hbrido se han verificado a nivel de componentes y del sistema para tensiones HVDC de hasta 320 kV y tensiones nominales de 2 kA, y de este modo se ha eliminado un importante obs-tculo que impeda la realizacin de redes HVDC. El siguiente paso es probar el inte-rruptor en una lnea de transporte HVDC real.

Magnus Callavik

ABB Grid Systems

Vasteras, Suecia

magnus.callavik@se.abb.com

Anders Blomberg

Antes en ABB Grid Systems

Jrgen Hfner

ABB Grid Systems

Ludvika, Suecia

jurgen.hafner@se.abb.com

Bjrn Jacobson

ABB Grid Systems

Pekn. China

bjorn.jacobson@cn.abb.com

8 Verificacin de la clula de interruptor modular de HVDC de IgBT 9 Verificacin del sistema de interruptor hbrido de HVDC

Tensin de lnea 20*0,88 kV/div

Intensidad de lnea2,500 A/div

100 s/div

120 kV

80 kV9 kA

El interruptor principal se abre

Inicio de la corriente de fallo

Retardo de 250 ms para la apertura del LCS

Retardo de 2 ms para la apertura del UFD

Tiempo (2 ms/div)

Tensin a travs del interruptor

Intensidad en el interruptor principal

El interruptor de conmutacin de carga (LCS) se abre

1

2

14 ABB review 2|13

HELMUT HEIERMEIER, RETO kARRER Las redes elctricas que cruzan los paisajes y llevan electricidad a ciudades y pueblos estn en constante evolucin. En particular, las tensiones operativas estn aumentando para reducir al mnimo las prdidas durante el transporte. Esto impone mayores exigencias a los componentes crticos que controlan y prote-gen estas redes: los interruptores. En el centro del interruptor est la cmara donde se produce fsicamente la separacin de los circuitos. Las cambiantes condiciones tcnicas y del mercado y las nuevas normas internacionales han planteado la necesidad de desarrollar una nueva generacin de interruptores.

Un interruptor con capacidad para conmutar 15 grandes centrales elctricas

Abriendo camino

15Abriendo camino

Se plantearon adems los requisitos siguientes: Tamao reducido de la baha (una

baha completa debe caber en un contenedor normalizado).

Capacidad de conmutacin de fallo de lnea sin necesidad de condensador de lnea a masa.

Disminucin del volumen de gas SF6. Minimizacin de las fuerzas de reaccin

(efecto sobre edificios y cimentaciones). Unidad pequea y normalizada. Tiempo de interrupcin de dos ciclos.

InterruptoresUn interruptor es un componente notable. Tiene que admitir intensidades que van desde 1 A hasta varias decenas de miles de amperios; tiene que resistir un amplio espectro de comportamien-tos de la tensin, desde incrementos rpidos hasta es-fuerzos prolonga-dos de CA; debe ejecutar operacio-nes de conmuta-cin normales e interrumpir con ur-gencia corrientes de cortocircuito; debe permanecer inacti-vo durante mucho tiempo y ser capaz de ejecutar un corte de urgencia en unas milsimas de segundo.

Disear un nuevo interruptorAl disear un interruptor nuevo y tomar decisiones sobre una nueva tecnologa hay que tener en cuanta muchos factores distintos.

L as redes que mantienen el flujo de la vital energa elctrica trabajan a tensiones cada vez mayores para minimizar las

prdidas durante el transporte y el im-pacto ambiental. Esta mayor tensin, junto con otras exigencias, hacen que el interruptor, un componente clave para la proteccin y el control de las redes, deba evolucionar. La disponibilidad del interruptor tiene una importancia decisi-va, pues afecta directamente a la fiabili-dad de la propia red.Disminuir el nmero de componentes del interruptor y la energa necesaria para su accionamiento disminuye el riesgo de apagones inesperados. Si adems puede reducirse el tamao del interruptor, se reducirn tambin los costes y las necesi-dades de espacio.Teniendo esto en cuenta, ABB empez a desarrollar un nuevo interruptor de una sola cmara para redes de 420 kV. Este nuevo interruptor debe cumplir las ms avanzadas normas internacionales IEC y ANSI/IEEE, as como los requisitos espe-ciales conocidos de los distintos merca-dos internacionales. Como es de esperar que en el futuro aumenten las intensida-des nominal y de cortocircuito que deben manejarse, el diseo se ha centrado en una intensidad nominal de 5 kA y en una intensidad de cortocircuito de 63 kA con frecuencias de 50 Hz y 60 Hz.

Imagen del ttulo La tensin creciente de las lneas elctricas est impulsando el desarrollo de la tecnologa de alta tensin. Cmo responden los interruptores ms avanzados?

Capacidad de conmutacin capacitiva

Esta tarea se caracteriza por intensidades relativamente pequeas pero tensiones muy altas entre los contactos del inte-rruptor; por tanto, hace falta una elevada capacidad de resistencia a la tensin dinmica. La capacidad de resistencia a la tensin debe ser superior a la tensin en aumento de la red durante la apertura del interruptor. Esto puede imaginarse como una carrera entre la apertura de los contactos y el aumento transitorio de la tensin. Es esencial que esta carrera la gane el interruptor, pues la tensin no puede interrumpirse si esta operacin provoca un aumento del voltaje que pon-ga en peligro los componentes de la sub-

estacin y el tendido areo. En otras palabras: este nuevo interruptor debe tener una velocidad de contacto muy alta para que se alcance una capacidad de

Disminuir el nmero de componentes del interruptor y la energa necesaria para su accionamiento disminuye el riesgo de apagones inespera-dos. Adems, los interruptores ms pequeos reducen los costes y el espacio ocupado.

1 Ejemplo de una simulacin de clculo de dinmica de fluidos de un interruptor de circuito encapsulado en metal

Volumen de salida en el lado correspondiente al contacto mvil

Protectores de salida

Depsito

Zona de formacin de arco

Volumen de salida en el lado correspondiente al contacto fijo

16 ABB review 2|13

resistencia dielctrica muy elevada en muy poco tiempo.En las normas internacionales, este as-pecto est cubierto por un procedimiento de ensayo muy detallado y un programa de pruebas muy amplio.

Capacidad de interrupcin del fallo de lnea

por corto

Esto exige una elevada presin del gas en el volumen situado entre los contactos del interruptor para que la capacidad de refrigeracin sea suficiente para extinguir el arco y la interrupcin sea correcta. Este

aumento de la presin es un elemento clave de la capacidad de aislamiento rpi-do. Un interruptor de una sola cmara diseado para una capacidad de inte-rrupcin de cortocircuito elevada exige una presin de separacin elevada.

Capacidad de interrupcin del fallo de

terminal

Como uno de los requisitos es mantener el tiempo de interrupcin dentro de dos ciclos, hace falta un tiempo de apertura breve, lo que exige requisitos de asimetra mayores que en interruptores anteriores. La interrupcin con un grado de asimetra muy elevado determina un aumento de la presin que deben resistir la unidad y el

sistema de escape y boquilla. Para este nuevo interruptor, esto significa manejar con seguridad aportes de energa eleva-dos en la zona del arco y en el sistema de escape.

Requisitos de fallo limitados por transformador

Este requisito especial, que debe cum-plirse en algunas zonas, se plantea cuan-do una fraccin (del 7 al 30 por ciento) de la intensidad nominal de cortocircuito se combina con una velocidad muy alta de aumento de la tensin de recuperacin (la tensin que aparece entre los terminales

despus de la inte-rrupcin de la co-rriente).Para resistir un es-fuerzo tan elevado es necesario crear muy deprisa una gran capacidad de resistencia a la ten-sin dinmica des-pus de la inte-

rrupcin de la corriente. Para ello, el gas caliente situado entre los contactos del arco debe sustituirse por gas fro lo ms deprisa posible.

Eleccin de una tecnologa de conmutacinLos interruptores actuales se presentan en distintas variantes, cada una con sus propias ventajas: Interruptores sopladores Interruptores sopladores avanzados Interruptores de autodisparo asistidos

por soplador Interruptores de autodisparo puro Interruptores de autodisparo con

sistema mvil lineal doble

Se evaluaron materiales y tcnicas de produccin nuevos para identificar un producto de coste comparable al de la oferta habitual.

2 Ejemplo de simulacin de un campo elctrico en la zona de formacin de arcoEl objetivo del

diseo era un inte-rruptor de una sola cmara para redes de 420 kV con una intensidad nominal de 5 kA, una inten-sidad de cortocir-cuito de 63 kA y sin necesidad de condensador de lnea a tierra.

32,9

29,6

26,3

23

19,7

16,5

13,2

9,87

6,58

3,29

0

17Abriendo camino

Interruptores de autodisparo con sistema mvil no lineal doble

En el desarrollo del nuevo interruptor se han combinado las cualidades de estos conceptos y se ha llegado a un interrup-

tor soplador avanzado con un sistema mvil no lineal doble. Este enfoque tiene ventajas: Velocidad de contacto elevada y

ajustable. Masas en movimiento reducidas y, por

tanto, fuerzas de reaccin tambin reducidas.

Tiempos de apertura muy rpidos (con un sistema de muelle e hidrulico normal de baja energa).

Baja relacin entre aumento de presin sin carga y presin mxima (que determina bajas temperaturas del gas de extincin durante el corte de la corriente).

Bajo esfuerzo mecnico en los com po- nentes mviles gracias a la reducida velocidad de algunos de ellos.

Pese al mayor grado de asimetra, el aumento mximo de presin no somete los componentes del arco a un esfuerzo mecnico excesivo, pues puede limitarse la presin mxima generada.

Durante el desarrollo se recurri continua-mente al software de simulacin para imi-tar distintos efectos fsicos, como el flujo, el aumento de la presin y los campos elctricos, durante la interrupcin de la corriente 1 2.En el anlisis mecnico se emplearon herramientas del mtodo de elementos finitos (FEM). Los objetos ensayados estaban provistos de varios sensores de medida para obtener datos con los que mejorar y verificar las herramientas de simulacin. Tambin se hicieron pruebas

Se redujo un 50 por ciento la energa de activacin, un 50 por ciento el volumen de la baha y un 30 por ciento el volumen de SF6.

Las fuerzas de reaccin son menores que con otras soluciones, por lo que la infraestructura fsica es menos costosa.

5 Primera instalacin en Suiza: antigua (derecha) comparada con la nueva (izquierda).

4 El volumen del interruptor se redujo considerablemente3 Se llev a cabo una evaluacin completa en laboratorio de los diseos de prueba.

18 ABB review 2|13

Adems, la aceleracin de las masas m-viles puede escalonarse y el movimiento del pasador reducirse, lo que limita an ms las necesidades de energa 7.El nuevo interruptor, que puede utilizarse en aplicaciones de depsito aislado y sis-tema de conexin y actuacin (PASS), adems de en GIS, cumple todos los objetivos importantes propuestos. Este nuevo producto es un interruptor moder-no y competitivo que cumple las normas internacionales ms recientes. En trmi-nos de capacidad pura, es interesante sealar que una sola cmara es capaz de conmutar una potencia de cortocircuito de casi 23 GW, equivalente a la potencia nominal de unas 15 centrales nucleares.

para determinar los lmites del dispositivo ensayado. Paralelamente al desarrollo, se evaluaron materiales y tcnicas de pro-duccin nuevos para identificar un pro-ducto de coste comparable a un instru-mento convencional 3.

Resultados del proyectoEl desarrollo alcanz o super los objeti-vos cuando se compar con la genera-cin anterior de interruptores: Disminucin de la energa de activa-

cin en un 50 por ciento. Disminucin del volumen de SF6 en un

30 por ciento 4. Disminucin del volumen de la baha

de aparamenta aislada en gas (GIS) en un 50 por ciento (301 ELK 3-2, 147 ELK 3-1) 5.

El tamao de la baha se disminuir todava ms con componentes GIS adaptados. Esta baha mejorada cabr en un contenedor normalizado para el transporte y para el uso de urgencia como equipo de maniobra (como se mostr en la feria de Hanover de 2012).

En una solucin convencional de dos cmaras se utiliza el doble de energa de activacin que en el nuevo sistema de movimiento no lineal doble (una cma-ra con un lado impulsado, casi cinco veces) 6.La masa mvil por cmara es aproxima-damente la misma (una o dos cmaras), pero el sistema de movimiento doble tiene una masa mvil ligeramente mayor (pasador y palancas).Las fuerzas de reaccin son menores que con cualquier otra solucin, por lo que la infraestructura fsica es menos costosa.

Helmut Heiermeier

Reto karrer

ABB Power Products, High Voltage Products

Baden, Suiza

helmut.heiermeier@ch.abb.com

reto.karrer@ch.abb.com

En el desarrollo se recurri al soft-ware de simulacin para imitar distintos efectos fsicos, como el flujo, el aumento de la presin y los cam-pos elctricos, durante el corte de la corriente. Las herramientas FEM contribuyeron al anlisis mecnico.

7 El esquema de conmutacin (ejes en unidades relativas). Las caractersti-cas de conmutacin estn de acuerdo con las ltimas normas IEC e IEEE.

0

0,5

1

1,5

2

2,5

3

Ene

rga

de

acci

onam

ient

o (u

nid

ades

rel

ativ

as)

Interruptor clsico de cmara doble

Interruptor clsico de una sola cmara

Interruptor de una sola cmara con movimiento lineal doble

Interruptor de una sola cmara con movimiento no lineal doble

Recorrido del pasador de contacto Recorrido del puffer

Recorrido entre contactos

Punto de separacin de contactos

El elemento soplado(puffer) se acelera primero

El pasador acelera despus de que el puffer haya alcanzado velocidad

6 Una comparacin de la energa de accionamiento necesaria (unidades relativas)

19El chip dos en uno

MUnAf RAHIMO, LIUTAURAS STORASTA, CHIARA CORVASCE,

ARnOST kOPTA Los semiconductores de potencia emplea-dos en aplicaciones de conversin de fuente de tensin (VSC) transportan normalmente la corriente en una sola direccin. Pero en las topologas de circuito VSC con cargas inductivas se suelen emparejar elementos conmu-tables que conducen en una direccin (diodo antirretorno) con diodos que conducen en la otra (direccin inversa o antiparalela). Por ello la produccin de semiconductores se plante hace mucho tiempo el objetivo de lograr la integracin plena de los dos dispositivos en uno solo y, a ser posible, en una sola estructura de silicio.

Esta integracin abre el camino hacia densidades de potencia mayores y sistemas ms compactos, al tiempo que simplifica la fabricacin. En la tecnologa IgBT 1, los conmutadores de conduccin inversa integrados en un solo chip se han limitado casi siempre a dispositivos de baja potencia y aplicaciones especiales. ABB ha logrado una innovacin radical con su BIgT (transistor bimodal de puerta aislada) que integra un diodo antirretorno en el dispositivo conmutador al tiempo que logra caractersti-cas funcionales antes limitadas a dispositivos mucho mayores.

El transistor bimodal de puerta aislada (BIGT)

El chip dos en uno

20 ABB review 2|13

El problema de la integracinEn aplicaciones modernas en las que se emplean mdulos IGBT, el diodo presenta una limitacin importante en trminos de prdidas: el rendimiento y la capacidad para soportar sobreintensidades. Los dos lmites son producto del rea histrica-mente limitada disponible para el diodo: la relacin de reas habitual IGBT:diodo es del orden de 2:1. Estos lmites se esta-blecieron bsicamente despus de la intro duccin de los modernos diseos de IGBT de baja prdida. La estrategia de aumentar el rea del diodo no es una

solucin aconseja-ble, y en cualquier caso sigue limitada por la superficie del diseo del paque-te. La demanda de mayores densida-des de potencia de los componentes IGBT y diodo ha

desplazado el enfoque hacia una solucin que integra el IGBT y el diodo, lo que nor-malmente se ha denominado IGBT de conduccin inversa (RC-IGBT).Hasta hace poco, el uso de RC-IGBT se ha visto limitado a las clases de tensin inferiores a 1.200 V para aplicaciones especiali zadas de conmutacin suave con requisitos reducidos para el diodo. En trminos convencionales, la realiza-cin de un dispositivo de este tipo para aplicaciones de alta tensin y conmuta-cin normal se ha visto obstaculizada por problemas de diseo y proceso que han abocado a los inconvenientes de

las ideas ms recientes de diseo de IGBT, pero incorporando un diodo anti-paralelo plenamente integrado y optimi-zado en la misma estructura. Adems del efecto sobre la potencia y el tamao del BIGT, el dispositivo tambin mejora la suavidad del apagado en los dos modos operativos, soporta temperaturas de fun-cionamiento elevadas, tiene mejor com-portamiento en condiciones de fallo bajo cortocircuito en el IGBT y sobreintensidad en el diodo 5 y mejor reparto de la corriente cuando los dispositivos trabajan en para-lelo. Utilizando el mismo volumen de sili-

cio disponible en los modos de IGBT y de diodo, el dispositivo proporciona una utilizacin trmica mejorada gracias a la ausencia de periodos inactivos y, por tanto, es ms fiable.La ejecucin prctica de la tecnologa BIGT en un solo chip podra constituir una solucin para futuras aplicaciones de alta tensin, que exigen sistemas compactos con ms potencia, en especial los que presentan requisitos elevados de intensi-dad en el diodo y que podran estar ms all de la capacidad de la estrategia habi-tual de dos chips.

D ebido a las dificultades tcnicas asociadas con la idea de inte-grar dispositivos de conmuta-cin con diodos antiparalelos,

este enfoque solo se ha utilizado (en tiem-pos recientes) para componentes de baja potencia, como los IGBT y MOSFET 2, y para aplicaciones especiales. Adems, para dispositivos bipolares de ms super-ficie, como el IGCT 3, se ha utilizado la inte gracin monoltica, pero con el IGCT y el diodo en regiones de silicio totalmente separadas.ABB ha orientado el esfuerzo de desarro-llo de los ltimos aos a crear una estruc-tura de IGBT de alta potencia con un dio-do plenamente integrado en un mismo chip. La principal aplicacin diana eran los inversores conmutadores 4.El nuevo concepto de semiconductor de potencia recibi el nombre de transistor bimodal de puerta aislada (BIGT). Los pri-meros prototipos, con tensiones nomina-les de ms de 3.000 V, demostraron ms densidad de potencia que los chips con-vencionales y mejoraron el rendimiento general. El BIGT se dise en lnea con

Imagen del ttuloEl nuevo BIGT de ABB integra la funcin de diodo de conduccin inversa en la estructura del conmutador semiconductor.

En el BIGT se han combinado varias tecnologas actuales y nuevas para integrar las funciones de IGBT y diodo.

1 Primer paso de la integracin: IgBT de conduccin inversa (RC-IgBT)

Control de la vida til

Emisor n+

pnn-

Puerta

1 integracin

Diodo

RC-IgBT

IgBT

Emisor

Colector

n+ cortosegmento del nodo p+

Clula de MOS

Clula de MOS emisor

Base n- Buffer n ctodo n+ nodo p+

21

cionamiento IGBT e influyen fuertemente en el modo de conduccin IGBT.Unas de las consecuencias del corto al nodo es la recuperacin de la tensin ya mencionada. Esto se observa en forma de regin de resistencia negativa en las caractersticas de los modos I-V del IGBT del dispositivo. Este efecto influir negati-vamente cuando los dispositivos se co-necten en paralelo, especialmente a baja temperatura. Para resolver este problema hace falta un segundo paso de integra-cin. Se ha demostrado que la recupera-cin inicial puede controlarse y eliminarse introduciendo regiones p+ en el dispositi-vo, tambin llamado IGBT piloto. Esta estrategia condujo al concepto de BIGT que, en principio, es una estructura hbri-da formada por un RC-IGBT y un IGBT normal en un mismo chip 2.El rea piloto se centraliza en el chip para obtener una mejor distribucin trmica y reducir las faltas de uniformidad de la corriente. Tambin se ha diseado para ofrecer el mximo alcance funcional den-tro del chip y asegurar al mismo tiempo una regin RC-IGBT amplia. Las regiones p+ y n+ alternas se organizan en una estructura de bandas con una disposi-cin radial optimizada para asegurar una transicin suave y rpida en el modo de conduccin IGBT desde el rea piloto al resto del chip 3.En el BIGT se han empleado varias tecno-logas conocidas y nuevas para integrar las funciones de IGBT y de diodo. En pri-mer lugar, es importante sealar que las plataformas tecnolgicas utilizadas por ABB, como el amortiguador pasante

rendimiento que se resumen a continua-cin: Vuelta 6 del IGBT a las caractersticas

I-V del estado activado (efecto de MOSFET en corto).

Compensacin del IGBT activado frente a las prdidas de recuperacin inversa del diodo (efecto de conforma-cin de plasma).

Compensacin del IGBT frente a la suavizacin del diodo (efecto de diseo del silicio).

rea de trabajo segura (SOA) (efecto de la uniformidad de carga).

En los ltimos aos, el esfuerzo de desa-rrollo de ABB orientado a resolver estos problemas se ha materializado en un con-cepto avanzado de RC-IGBT: el BIGT.

El concepto de BIgTEl concepto de BIGT se basa en dos pasos de integracin. El primero se ilustra en 1. El IGBT y el diodo comparten una nica estructura. En el lado del colector se introducen reas alternas con dopaje n+ en una capa de nodo IGBT p+. Estas reas actan como contacto de ctodo para el modo de operacin interno de diodo. La proporcin de reas entre el nodo IGBT (regiones p+) y el ctodo del diodo (regiones n+) determina qu parte del rea del colector est disponible en los modos de IGBT o de diodo, respecti-vamente. Durante la conduccin en modo de diodo, las regiones p+ estn inactivas y no influyen directamente en el compor-tamiento de conduccin del diodo. Por el contrario, las regiones n+ actan como cortos con el nodo en el modo de fun-

El chip dos en uno

notas a pie de pgina1 Un IGBT (transistor bipolar de puerta aislada) es

un conmutador semiconductor controlado por la tensin de uso generalizado en la electrnica de potencia.

2 Un MOSFET (transistor de efecto campo de metal-xido-semiconductor) es un dispositivo semiconductor utilizado en aplicaciones de conmutacin y amplificacin. Sus aplicaciones de conmutacin son por lo general de menor potencia que las del IGBT.

3 Un IGCT (tiristor integrado de puerta conmutada) es un GTO (tiristor de desactivacin de puerta) optimizado para la conmutacin hard y con un accionamiento de puerta integrado. Encontrar ms informacin sobre las distintas tecnologas de semiconductores en el artculo Del arco de mercurio al interruptor hbrido, en las pginas 7078 de este nmero de la Revista ABB.

4 Se llama conmutacin hard a la secuencia de activacin e inactivacin de una corriente acompaada de valores elevados de dv/dt y di/dt durante la conmutacin.

5 La capacidad para soportar sobreintensidades es la aptitud de un dispositivo para aceptar un pico de corriente brusco y breve (superior al valor nominal del dispositivo) sin sufrir daos.

6 Se llama recuperacin a un efecto observado en los IGBT que consiste en que la tensin en estado activado puede mostrar un pico breve durante la activacin; se ilustra en la figura 9.

Durante los ltimos aos, el esfuerzo de desarrollo de ABB se ha orien-tado a la creacin de un IGBT de alta potencia y una estructura de diodo en un nico chip.

2 Segundo paso de integracin: el transistor bipolar de puerta aislada (BIgT)

Control de la vida til

Emisor n+

p

nn- LpL

Puerta

2 integracin

BIgT

IgBT

n+ cortonodo piloto p+p+ pilote-anode

Clula de MOS Clula de MOS

Base n- Buffer n ctodo n+ ctodo p+

RC-IGBTPiloto-IGBT

Clula de MOS BIGT

RC-IgBT

n+ cortosegmento del nodo p+

22 ABB review 2|13

mas y con corrientes de fuga muy bajas para el funcionamiento a mximas tem-peraturas en la unin.

Rendimiento del BIgTLa tecnologa BIGT se dise inicialmente para dispositivos de alta tensin y se ha demostrado a nivel de mdulo con ten-siones nominales desde 3,3 kV hasta 6,5 kV. Los resultados del ensayo presen-tado aqu se obtuvieron con los mdulos HiPak 1 de tamao estndar (140 130) para 6,5 kV de reciente creacin con una intensidad nominal de 600 A 4.Un sustrato convencional IGBT/diodo estar normalmente ocupado por cuatro IGBT y dos diodos, mientras que el nuevo sustrato admite seis chips BIGT que fun-cionan todos en modo IGBT o en modo diodo. La ventaja del BIGT ha quedado claramente demostrada con el mdulo HiPak 1 que contiene cuatro sustratos BIGT con un total de 24 chips BIGT capa-ces de reemplazar el mdulo HiPak 2 ma-yor (140 190) que normalmente contie-ne seis sustratos con un total de 24 IGBT y 12 diodos. El mdulo IGBT mayor tiene el inconveniente aadido de emplear un rea de diodo mucho menor. Esta super-

suave (SPT) de alta tensin y los concep-tos de clula plana mejorada 7 han sido esenciales para esta integracin. Adems de sus conocidas propiedades de robus-tez y prdidas reducidas, el perfil de dopaje ptimo del SPT contribuye sus-tancialmente a reducir el efecto de recu-peracin, mientras que el diseo de clu-la plana miniaturizada desempea una importante funcin en la reduccin de las prdidas de conduccin del diodo y con-mutacin sin afectar negativamente al rendimiento del IGBT. Adems de un con-trol axial normal de vida til, se dise tambin un proceso local preciso de vida til de pocillo p (LPL) (como se ilustra en 2) para mejorar la compensacin del estado activado del IGBT frente a las pr-didas por recuperacin inversa del diodo. Por ltimo, debido al diseo de cortos al nodo, el BIGT ha heredado varias pro-piedades que se han transformado en ventajas de rendimiento del dispositivo en ambos modos de funcionamiento como conmutacin suave en condiciones extre-

La tecnologa BIGT se dise inicial-mente para dispo-sitivos de alta tensin y se ha demostrado a nivel de mdulo con tensiones nomina-les desde 3,3 kV hasta 6,5 kV.

5 Caractersticas del BIgT HiPak 1 de 6,5 kV/600 A en estado activado.

6 formas de onda de IgBT HiPak 1 de 6,5 kV/600 A en modo apagado

3 El diseo del dorso del BIgT

4 El BIgT HiPak 1 de 6,5 kV/600 A

25 C 125 C

1,000

800

600

400

200

-200

-400

-600

-800

1,000

2

Inte

nsid

ad (A

)

Tensin Intensidad

5,000

6,000

4,000

3,000

2,000

1,000

0

-1,000

800

1,000

1,200

600

400

200

0

-200

Tiempo (s)0 4 5 7 8 10 11 12

Tens

in

(V)

Inte

nsid

ad (A

)

1-1-3-4-5-6 43 65-7 -2 0 7

1,200

1,200

Modo IGBT

Modo de diodo

Chip simple BIGT

Sustrato HiPak6 x BIGT

Piloto IGBT

regiones n+ (oscuras) regiones p+ (claras)

Dorso de la oblea BIgT

HiPak 1 con 4 sustratos

nota a pie de pgina7 Vase La conmutacin a un rendimiento

superior, pginas 1924, Revista ABB 3/2008.

23

Las prdidas totales de la conmutacin IGBT y con diodo para el mdulo ensa-yado fueron del orden de 10 julios, un valor similar al determinado para el actual mdulo estndar IGBT HiPak 2 de 6,5 kV/600 A. 9 ilustra el ltimo paso de medicin de la sobreintensidad del BIGT en el modo diodo para un sustrato (150 A nominales), que alcanz los 3.000 A. Est claro que el BIGT HiPak 1 ofrece el comportamiento ante sobreintensidades sin compromisos del mdulo HiPak 2 IGBT/diodo equiva-lente, y el mdulo BIGT HiPak 2 va mucho ms all. Por ltimo, se hicieron verifica-ciones normales de la fiabilidad y pruebas de funcionamiento frecuente de los m-dulos y los chips BIGT, con resultados satisfactorios.Segn estos resultados, se espera que el dispositivo BIGT supere a los IGBT y dio-dos ms avanzados en condiciones de conmutacin soft y hard y que tambin cumpla las rigurosas normas de robustez exigidas por los actuales dispositivos de potencia. 10 ilustra la intensidad de salida simulada en modo inversor para los mdulos BIGT HiPak 1 y HiPak 2 de 6,5 kV en comparacin con el actual mdulo IGBT HiPak 2 a 125 C. Las simulaciones de la corriente de salida del BIGT en el modo de rectificador revelarn una capacidad an mayor, debido a la elevada superficie del diodo disponible en el mdulo BIGT. La tecnologa BIGT pre-parar el terreno para las generaciones futuras de diseos de sistemas para mayores densidades de potencia con un rendimiento general excepcional sin limi-taciones derivadas del funcionamiento del diodo.

incluso con intensidades muy bajas y en los dos modos de trabajo. Esto se debe a la ptima eficacia de inyeccin del emisor y al control de vida til empleado en la estructura BIGT.Para mediciones dinmicas en condicio-nes nominales, la tensin del enlace CC se ha ajustado a 3.600 V, mientras que para la caracterizacin del SOA se ha ele-vado hasta 4.500 V. Todas las mediciones se hicieron a 125 C con un resistor fijo de puerta de 2,2 , una capacitancia del emisor de puerta de 220 nF y una induc-tancia parsita de 300 nH. En 6 7 se presentan las ondas de desconexin

de IGBT y diodo a nivel de mdulo en condiciones nomi-nales y SOA. Las formas de onda de desconexin BIGT siempre presentan un perfil ms suave que en los mdu-

los estndar IGBT/diodo. El BIGT no pre-senta oscilaciones ni caractersticas pasa- jeras en ninguna circunstancia. 8 tam-bin muestra el com portamiento de acti-vacin de BIGT en condiciones normales.

ficie suele ser un factor limitante en el modo de rectificador y desde el punto de vista de la resistencia a las sobreintensi-dades. Por otra parte, hay un mdulo BIGT HiPak 2 mayor viable con un total de 36 chips BIGT y una capacidad nomi-nal de hasta 900 A.Los mdulos BIGT HiPak 1 se probaron en condiciones estticas y dinmicas similares a las aplicadas a los mdulos IGBT ms avanzados. Las caractersticas en estado activado del BIGT en los modos IGBT y diodo se muestran en 5. Se muestran valores en estado activado de aproximadamente 4,2 V a 125 C a la

intensidad nominal de 600 A para los dos modos de funcionamiento. Adems, en apoyo de la conexin segura en paralelo de los chips, las curvas muestran un fuerte coeficiente de temperatura positivo

El chip dos en uno

Munaf Rahimo

Liutauras Storasta

Chiara Corvasce

Arnost kopta

ABB Semiconductors

Lenzburg, Suiza

munaf.rahimo@ch.abb.com

liutauras.storasta@ch.abb.com

chiara.corvasce@ch.abb.com

arnost.kopta@ch.abb.com

El mdulo BIGT HiPak 2 es viable con un total de 36 chips BIGT y una intensidad nominal de hasta 900 A.

7 formas de onda de recuperacin inversa de IgBT HiPak 1 de 6,5 kV/600 A 1 en modo de diodos

9 Capacidad de sobretensin-corriente de sustrato de BIgT en modo de diodos

8 formas de onda de IgBT HiPak 1 de 6,5 kV/600 A en modo encendido

10 Salida de los mdulos HiPak 1 y HiPak 2 de 6,5 kV en modos de inversor.

Tensin Current

Tensin Intensidad

5,000 3,500

3,000

2,500

2,000

1,500

1,000

500

0

-500

4,000

4,000 1,000

800

600

3,000

3,000

400

2,000

2,000

200

1,000

1,000

0

0

0

-1,000

-1,000

1,500

1,000

2,000

500

1,500

0

1,000

-500

-500

-1,000

0

-1,500

-500

Tiempo (s)

Tiempo (s)

fsw (Hz)

Tensin (V)

0

0

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20

4

4

5

5

6

6

7

7

8

8

9

9

10

10

11

11

12

12

Tens

in

(V)

Tens

in

(V)

Valo

r rm

s d

e la

cor

rient

e d

e sa

lida

(A)

Inte

nsid

ad (A

)

Inte

nsid

ad (A

)In

tens

idad

(A)

6,5 kV/600 A HiPak 2

6,5 kV/900 A BIGT HiPak 2

6,5 kV/900 A BIGT HiPak 1

24 ABB review 2|13

ARI WAHLROOS, JAnnE ALTOnEn, PRZEMYSLAW BALCEREk, MAREk fULCZYk Una red compensada es una red en la que el punto neutro del sistema est conectado a masa mediante una bobina de compensacin. Esta conexin a masa reduce las corrientes de fallo a tierra capacitivas producidas por la red hasta casi cero en el punto de fallo y facilita las condiciones de autoextincin del fallo sin necesidad de interruptores automticos y sin provocar cortes al cliente. Por eso aumenta sin cesar el nmero de redes de media tensin que se estn transformando al tipo compensado. Sin embargo, las bajas intensidades de fallo de las redes compensa-das desafan los principios tradicionales de proteccin frente a fallos a tierra. A principios del decenio de 1980 se desarroll en Polonia un principio alternativo basado en la admitancia medida en el punto neutro. Este principio, sencillo pero muy inteligente, tiene muchas ventajas sobre los mtodos tradicionales y puede aplicarse a todo tipo de redes sin conexin a tierra y compensadas, incluidas las arterias con compensacin distribuida. La funcin de proteccin del fallo a tierra basada en la admitancia en el punto neutro se presenta ahora en los productos Relion REf615 y REf630 de ABB.

La funcin de proteccin de fallo a tierra definitiva para redes compen-sadas

Admitancia fcil

25

El concepto de proteccin de la admitancia en el punto neutroLa proteccin de la admitancia en el pun-to neutro, como otros mtodos de pro-teccin del fallo a tierra, se basa en los componentes de la frecuencia fundamen-tal de la intensidad residual (I0) y la tensin residual (U0). Pero, la magnitud sobre la que se acta no es ni la intensidad resi-dual ni la potencia (S0 = U0I0) sino la vigi-lancia del valor de la admitancia medida en el punto neutro, Y0, definida como el cociente de los fasores de la intensidad y la tensin residuales:

donde G es la conductancia y B la sus-ceptancia. La admitancia medida est direc tamente relacionada con parmetros conocidos del sistema, como resistencias en shunt, capacitancias e inductancias de la red. La parte resistiva de la admitancia en el punto neutro, es decir, la conduc-tancia G, corresponde a las resistencias de shunt y a las prdidas del sistema, y la parte imaginaria, es decir, la susceptancia B, corresponde a las capacitancias y las inductancias de shunt del sistema. Como estos valores son la base del anlisis de la proteccin del fallo a tierra de la red, sus valores siempre se conocen y se guardan habitualmente en los sistemas de gestin de la distribucin (DMS).

extremadamente bajas que se producen como consecuencia del efecto compen-sador de la bobina de Petersen. A menu-do, estas corrientes son solo una fraccin de la corriente de carga normal, y son in-suficientes para disparar un rel conven-cional de sobreintensidad.Tradicionalmente, la proteccin frente al fallo a tierra en redes compensadas se ha

basado en el componente activo de la corriente residual (principio de Iocosphi) o de la potencia residual (principio de Watt-meric). A principios del decenio de 1980 se formul en Polonia otro principio basa-do en la admitancia medida en el punto neutro que se ha convertido en un requi-sito funcional para las empresas de sumi-nistro de ese pas.

Aprincipios del siglo XX, Walde-mar Petersen descubri que conectando una inductancia al punto neutro del transformador

principal, la corriente capacitiva del fallo a tierra producida por la red poda reducirse hasta casi cero y, de este modo, la mayo-ra de los fallos a tierra con arco se autoex tinguan. Actualmente estos com-ponentes de inductancia se llaman bobi-nas de Petersen, bobinas de compensa-cin o bobinas de supresin de arcos. Los fallos a tierra pasajeros causan la ma-yor parte de los apagones, y el uso de bobinas de compensacin reduce sus-tancialmente la frecuencia de cortes, con el resultado de un suministro ms fiable y de ms calidad. La compensacin permi-te tambin que la red siga funcionando durante un fallo a tierra sostenido, siem-pre que se cumplan las condiciones para tensiones peligrosas impuestas por las leyes y los reglamentos.Por ello, la aplicacin de bobinas de com-pensacin se ha hecho comn en redes de distribucin de media tensin (MT) en todo el mundo.

Las redes compensadas ponen a pruebas los mtodos de proteccinAunque la compensacin tiene ventajas para la explotacin, la proteccin frente a los fallos a tierra de la red es ms com-plicada debido a las corrientes de fallo

Admitancia fcil

Imagen del ttulo Las redes compensadas mejoran la fiabilidad del suministro, pero dificultan la proteccin del fallo a tierra. Cmo resuelve la situacin un mtodo inventado en Polonia a principios del decenio de 1980?

Los fallos a tierra pasajeros provocan la mayor parte de los cortes. El uso de las bobinas de compensacin puede reducirlos sustancialmente, lo que mejora la fiabilidad y la cali-dad del suministro.

Y0 = = G + j B,I0

U0

1 Distintos principios de proteccin frente a fallos de tierra que muestran la magnitud de la operacin como un porcentaje del valor nominal de Yo, Io o So frente a la resistencia al fallo

Proteccin basada en la admitancia Proteccin basada en la corriente

Proteccin basada en la potenciaprotection

0,0

0,0

-0,2

-0,4

-0,6

-0,8

-1,0

2,0

4,0

6,0

8,0

10,0

0

0

0,5

0,5

1,0

1,0

1,5

1,5

2,0

2,0

2,5

2,5

3,0

3,0

3,5

3,5

4,0

4,0

4,5

4,5

Op

erac

in

(%)

Op

erac

in

(%)

Resistencia al fallo (k)

26 ABB review 2|13

Esta admitancia es la suma de las admi-tancias totales de los conductores de fase de la arteria protegida, YFd, y las admitancias de las bobinas de compen-sacin situadas en la arteria protegida,

YFdCC (en su caso). La parte resistiva de la admitancia medida correspon-de a las prdidas resistivas del shunt de la arteria y a las prdidas de las bobinas distribui-das situadas en la arteria protegida. La parte imaginaria es proporcional a la suma de las ca-pacitancias de fase

a tierra de la arteria y las inductancias de las bobinas de compensacin distribui-das situadas en la arteria protegida 2.En el caso de fallo dentro de la arteria protegida, cuando la proteccin debe funcionar, la admitancia medida es igual a la admitancia total en el punto neutro de la red de fondo, YBgtot. Esta admitancia es la suma de las admitancias totales de los conductores de fase de todas las dems arterias de la subestacin, YBg, y de las admitancias de las bobinas de compen-sacin situadas fuera de la arteria protegi-da en la subestacin, YCC, o en las arte-rias prximas, YBgCC. La parte real de la admitancia medida es siempre positiva, pero el signo de la parte imaginaria, es decir, la susceptancia, depende de la sin-tona de la bobina de compensacin. Normalmente, la proteccin se prepara

La principal ventaja de vigilar el cociente de I0 y U0, es decir, la admitancia en el punto neutro es que, idealmente, este cociente permanece constante mientras vara la resistencia del fallo a tierra, pues

J0 y U0 disminuyen cuando aumenta la resistencia del fallo [1]. Esto contrasta con la proteccin tradicional del fallo a tierra, donde la magnitud de la cantidad con la que se opera, basada en la corriente o en la potencia residuales, est muy reducida por la resistencia del fallo. Esta caracte-rstica del principio de la admitancia en el punto neutro mejora la sensibilidad de la proteccin del fallo a tierra y la discrimina-cin entre las condiciones con fallo y sin fallo, especialmente a los valores de re-sistencia ms elevados 1.

La teora de la proteccin de la admitancia en pocas palabrasEn el caso de un fallo fuera de la arteria protegida, la admitancia medida es igual al negativo de la admitancia total en el punto neutro de la arteria protegida: -YFdtot.

La principal ventaja de vigilar el cociente entre I0 y U0, es decir, la admitancia, es que, en condiciones ideales, el resultado no se ve afectado por la resistencia del fallo en el punto del fallo.

2 Circuito equivalente monofsico simplificado de una red compensada con un fallo de tierra situado bien en el alimentador protegido (2a), bien en la red de fondo (2b).

Capacitancias fase-tierra y prdidas

en shunt

Transformador de AT/MT

Y Bgtot

Y Fdtot

U oY CC

U o

I o

Red de fondo = equivalente de

alimentadores adyacentes y las bobinas situadas

fuera del alimentador protegido

Bobina(s) distribuida(s)

2a fallo interior

2b fallo exterior

Alimentador protegido

Y Fd

Y Bg

Y FdCC

Y BgCC

Compensacin central

Capacitancias fase-tierra y prdidas en shunt

Bobina(s) distribuida(s)

27

El principio de la admitancia en el punto neutro tiene la flexibilidad suficiente para ser aplicable a todos los tipos de impe-dancia elevada en redes conectadas a tierra, no conectadas y compensadas, incluidas las arterias con compensacin distribuida. Estos ltimos dispositivos se estn haciendo ms comunes a medida que los tendidos areos, vulnerables al mal tiempo, se van sustituyendo por cables subterrneos. Estos cables multi-plican la corriente de fallo a tierra produci-da por tales arterias, lo que habitualmen-te exige compensacin local con bobinas distribuidas. Las bobinas distribuidas pueden ser problemticas para los mto-dos convencionales de proteccin del fallo a tierra, pues sus caractersticas no pueden adaptarse fcilmente cuando la configuracin de la lnea de alimentacin cambia sustancialmente.La flexibilidad del principio tambin mejo-ra la proteccin durante los fallos a tierra repetidos, pues hay un margen mayor antes de que pueda producirse el funcio-namiento en falso [2].

Plenamente compatible con la proteccin tradicional del fallo a tierraComo en la proteccin tradicional del fallo a tierra, el principio de la admitancia en el punto neutro utiliza el estado de sobre-tensin residual como criterio general de partida para definir la sensibilidad de la proteccin bsica. Esto permite la combi-nacin con los principios tradicionales, til cuando se utilizan varios principios de proteccin en el rea de distribucin de una subestacin 4.

para actuar con el componente adicional de intensidad resistiva introducido por el resistor en paralelo de la bobina. En la medicin de la admitancia, el aumento de la intensidad resistiva se mide directa-mente en la parte real de la admitancia, es decir, la conductancia.El principio fundamental de funcionamien-to de la proteccin del fallo a tierra basada en la admitancia se apoya en la discrimi-nacin entre las admitancias en el punto neutro resultantes de los fallos interiores y exteriores. La proteccin acta, es decir, dispara el interruptor del circuito, cuando se mide la admitancia interna del fallo, pero no cuando se mide la admitancia ex-terna. Esta condicin se caracteriza por los lmites de funcionamiento, que pueden ser circulares o estar formados por una o

varias lneas. La proteccin acta cuando el punto de la admitancia calculada se desplaza fuera de estas lneas 3.

Admitancia fcil

El principio de admitancia es apli-cable a todos los tipos de redes con conexin a tierra de alta impedancia, incluidas arterias con compensacin distribuida.

Con el principio de admitancia en el punto neutro es posible eliminar el efecto de la asime-tra de la red de los resultados de la medicin.

3 Ejemplos de caractersticas de admitancia reales (Re) e imaginarias (Im).

4 Ejemplo de diagrama de proteccin para una proteccin de alimentadores de media tensin utilizando admitancia neutra y funcionalidad clsica de proteccin frente al fallo de tierra.

El rea sombreada es el rea no operativa, es decir, donde la proteccinfunciona cuando la admitancia calculada est fuera de la lnea o lneas lmites.

a Circular b Sobreconductancia inclinada

c Tipico en forma de caja

Im (Yo) Im (Yo) Im (Yo)

Re (Yo)

Yoset

Phiset

Bosetfwd

BosetRev

gosetRev gosetfwdrea no operativa

rea no operativa

rea no operativa

Re (Yo) Re (Yo)

Proteccin basada en Uo- para la barra bus de la subestacin y proteccin de respaldo para los alimentadores

Subestacin

IED 2

IED 3

Tendido areo

IED 1

Tres etapas de proteccin incorporadas con el principio de admitancia neutra

Yo> (1)Yo> (2)Yo> (3)

Io> (1)Io> (2)

Uo>

Un reconectador de circuitos montado en un poste emplea el principio locosphi y dos niveles de proteccin

IED dispositivo electrnico inteligente

28 ABB review 2|13

Mejora del principio de admitanciaTradicionalmente, la proteccin del fallo a tierra se basa en los fasores de intensidad y tensin residual que se calculan en cuanto se detecta el fallo a tierra. Cuando la red est formada primordialmente por tendidos areos, puede haber presente en ella una tensin residual de estado sin fallos de magnitud elevada debido a con-ductores de fase no traspuestos. Esta asi-metra de la red afecta a las cantidades con las que se opera, por lo que el resul-tado del clculo depende de que haya una fase defectuosa, por ejemplo. Esta dependencia aumenta con la resistencia de fallo, y puede afectar negativamente a la sensibilidad de la proteccin del fallo a tierra. Con el principio de admitancia en el punto neutro se puede eliminar el efecto de la asimetra de la red a partir de los resultados de la medicin. Esto se logra utilizando las llamadas cantidades delta: los valores anteriores al fallo de los fasores de intensidad y tensin residual se restan de los valores medidos durante el fallo an-tes de calcular la admitancia en el punto neutro. Los algoritmos apropiados son f-ciles de implementar en los modernos dis-positivos electrnicos inteligentes (IED) [1].

Un problema se convierte en una oportunidadEn las redes de MT estn apareciendo ms componentes armnicos debido al creciente nmero de cargas generadoras de armnicos y de diversos componentes no lineales. En consecuencia, tambin hay muchos ms armnicos en la corrien-te de fallo durante el fallo a tierra de una sola fase.Como la bobina de compensacin solo compensa el componente de frecuencia fundamental de la corriente del fallo a tierra capacitiva, permanecen los otros compo-nentes de frecuencia. Tradicionalmente, estos componentes se consideran pertur-baciones que deben filtrarse. Por el con-trario, la proteccin del fallo a tierra basa-da en la admitancia en el punto neutro se aprovecha de estos armnicos para mejo-rar la discriminacin entre condiciones con y sin fallo [3]. En los IED modernos, las admitancias armnicas pueden calcularse fcilmente y sumarse a la admitancia de la frecuencia fundamental en formato de fasor, lo que hace la discriminacin entre estados con y sin fallo an ms clara.

Aos de experiencia positivaDesde su invencin, el mtodo de protec-cin del fallo a tierra basado en la admi-

Desde la perspecti-va de la proteccin, el problema de los armnicos puede transformarse en una ventaja.

Referencias[1] A. Wahlroos and J. Altonen, Performance of

novel neutral admittance criterion in MV-feeder earth-fault protection, CIRED, Praga, 2009.

[2] A. Wahlroos, J. Altonen, Practical application and performance of novel admittance-based earth-fault protection in compensated MV-net-works, CIRED, Frankfurt, 2011.

[3] A. Wahlroos, J. Altonen, Compensated networks and admittance-based earth-fault protection, in seminar Methods and Techniques for Earth Fault Detection, Indication and Location, Espoo, Finlandia, 2011.

Ari Wahlroos

Janne Altonen

Marek fulczyk

ABB Medium Voltage Products

Vaasa, Finlandia

ari.wahlroos@fi.abb.com

janne.altonen@fi.abb.com

marek.fulczyk@fi.abb.com

Przemyslaw Balcerek

ABB Corporate Research

Cracovia, Polonia

przemyslaw.balcerek@pl.abb.com

tancia en el punto neutro se ha difundido desde Polonia a otros pases europeos. Puede aplicarse a la proteccin del fallo a tierra direccional habitual, pero tambin a la deteccin del fallo a tierra de alta impedancia e intermitente. ABB, en cola-boracin con empresas elctricas de Fin-landia, ha hecho recientemente avances en este aspecto. Sobre la base de com-pletas pruebas sobre el terreno puede concluirse que la tcnica tiene realmente una sensibilidad superior a la de los prin-cipios tradicionales de proteccin del fallo a tierra. Con los valores apropiados y mediciones exactas, pueden detectarse fallos a tierra con resistencias de fallo de hasta 10 k [2].En comparacin con los mtodos tra-dicionales, la proteccin basada en la admitancia en el punto neutro presenta varias caractersticas atractivas, como mayor sensibilidad y seguridad frente a fallos a tierra continuos y repetidos. Ade-ms, es de aplicabilidad universal, inclui-das las redes con compensacin distri-buida; por tanto, el principio es una opcin segura para aplicaciones futuras de redes inteligentes. Por ltimo, la confi-guracin de la proteccin puede determi-narse fcilmente a partir de datos bsicos del sistema, lo que permite la optimiza-cin sencilla y prctica de las caractersti-cas operativas.

Contacto limpio

Contacto limpioTecnologa de contacto-res para conmutacin de potencia y control de motores

gUnnAR JOHAnSSOn Los contactores elctricos son casi tan antiguos como la misma tecnologa elctrica (un hecho que ABB puede certifi-car, pues lleva ms de 100 aos fabricando equipamiento de baja tensin. Ahora, sin embargo, la innovacin y la nueva tecnologa estn dando nueva vida a los contactores y resolviendo muchos de los problemas que tradicionalmente frenaban el avance de este caballo de batalla del mundo de la conmutacin elctrica. Los contactores Af de nueva generacin de ABB estn allanando el camino.

29

sistema de contactos se encuentra una cmara de ruptura que contiene diversos dispositivos que mejoran la actuacin del corte. Los contactos mviles se accionan mediante un puente de contactos con muelles que proporcionan la fuerza de contacto en la posicin de cerrado. El movimiento lo realiza un electroimn rodeado por una bobina 1.

Concepto de producto sencilloLos grandes contactores de ABB se dife-rencian claramente de los de la compe-tencia porque el circuito principal se encuentra en la parte trasera. Presentada hace unos 10 aos, esta solucin ya se

ha probado sobre el terreno. Esta confi-guracin facilita la combinacin con otros dispositivos de conmutacin, principal-mente interruptores automticos, e impi-de que los cables del circuito principal, que son gruesos y bastante rgidos, difi-culten el acceso 2.

El coste de la electrnica se ha rebajado a un nivel que hace que estos contacto-res controlados electrnicamente sean comparables en precio a las convencio-

U n contactor es un dispositivo de conmutacin controlado elctri-camente que funciona de forma muy parecida a un rel, pero

para intensidades mayores. A diferencia del interruptor automtico, que constituye otro tipo de dispositivo de conmuta- cin, el contactor no puede cortar las corrientes de cortocircuito, aunque puede realizar muchas otras operacio-nes. Tradicional-mente, los con-tactores se utili-zan para poner en marcha y de-tener maquina-ria elctrica. El tipo de contac-tor ms comn es el de tres polos, utilizado para establecer, conducir e interrumpir la corriente de un sistema trifsico.Los contactores se construyen alrededor de un sistema de contacto que se conec-ta al circuito principal. Adyacente a este

Los nuevos contac- tores de ABB utili-zan software y un circuito electrnico junto con un imn especialmente diseado para desarrollar rpida-mente una gran fuerza de contacto.

Un circuito montado en la parte de atrs facilita la combi-nacin con otros dispositivos de conmutacin y evita obsta-culizar el acceso a los cables del circuito principal.

30 ABB review 2|13

1 Esquema de contactor

Imagen del ttulo Desde que la tecnologa elctrica apareci en el mundo industrial, los contactores han desempea-do un papel fundamental. Nuevas ideas han superado los inconvenientes clsicos, permitiendo as lanzar una nueva generacin de contactores.

31

momento, el rebote del contacto no es tan importante. Mucho ms importante es el levantamiento del contacto.El levantamiento del contacto se produce un poco despus, cuando la intensidad es alta 3. Los contactos estn entonces normalmente en la posicin correcta pero hay otros factores, como la corriente de conmutacin elevada, que los puede separar y formar arcos. Cuando circulan intensidades elevadas, la erosin es grave 4. Adems, las vibraciones, que provienen del electroimn del contactor que se cierra, pueden interactuar con las fuerzas de separacin para producir el levantamiento del contacto. Por lo tanto, los contactos deben mantenerse apreta-dos a fondo para que soporten las posi-bles fuerzas de separacin. Para ello, los nuevos contactores de ABB utilizan soft-ware y un circuito electrnico junto con un imn especialmente diseado para desarrollar rpidamente una gran fuerza de contacto. El circuito incluye tambin un movimiento medido y controlado que reduce al mnimo las vibraciones. El levantamiento del contacto es poco fre-cuente y de esta forma se minimiza la erosin correspondiente.

Apertura de los contactosCuando se cortan intensidades elevadas (ms de 100 A), el arco tiene que separar-se rpidamente del material de contacto de plata para limitar la erosin. La erosin tambin tiene que estar distribuida tan uniformemente como sea posible entre las distintas fases.Para separar el arco de los contactos, se utiliza una tecnologa convencional. Una placa de acero rodea el contacto y aleja el

nales. Los costes de montaje son bajos ya que el mdulo electrnico encaja fcil-mente dentro del contactor.

Menos materias primasCuando los contactores establecen o cortan grandes intensidades, se forman arcos. Estos arcos erosionan el material de los contactos y esta erosin determina la vida del contactor. Normalmente el principal componente de los contactos es una aleacin de plata de ley elevada. Puesto que la plata es un material caro, no es prctico aumentar el volumen de los contactos para prolongar su vida, por lo que ABB ha dedicado mucho esfuerzo de investigacin a encontrar otras mane-ras de conseguirlo.Han surgido varias soluciones: Mejora de los movimientos del

contactor mediante el uso de un circuito de control electrnico

Uso de soluciones de software que reduzcan el desgaste de los contactos

Diseo de nuevos imanes que permi-tan mayores fuerzas en el contacto

Introduccin de nuevas cmaras de ruptura que eliminen y extingan los arcos

Ajuste de la fabricacin y la composi-cin del material de los contactos para proporcionarles mayor duracin

Cierre de los contactosCuando se cierran los interruptores, a veces se producen pequeos rebotes antes de que los contactos se queden fijos en la posicin de cerrado. Este deno-minado rebote del contacto hace que se formen arcos menores, erosivos. Puesto que la intensidad es pequea en este

El coste de estos contactores con-trolados electrni-camente es com-parable al de los dispositivos con-vencionales.

2 La colocacin del circuito en la parte trasera facilita el acceso

2a Contactor anterior con circuito principal en la parte delantera

2b Contactor nuevo con el circuito principal en la parte trasera

Contacto limpio

32 ABB review 2|13

ms se desgastar ms pronto y, al hacerlo, determinar la vida de todo el dispositivo. Es mejor distribuir uniforme-mente la carga entre las fases e igualar la erosin de los contactos. El software y la electrnica de ABB hacen exactamente eso al eliminar esa sincronizacin. Se han conseguido mejoras considerables en la duracin. El mtodo tiene una patente en trmite.

Material de contactoEl material que se utiliza para los contac-tos y su mtodo de fabricacin tienen gran influencia en