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La Tensión Transitoria de Recuperación (TRV) aparece a través de los contactos del interruptor inmediatamente después de la extinción del arco durante la interrupción de la falta. La tasa de aumento de la tensión de recuperación (RRRV), medida en kV/μs, determina la rapidez con la que se desarrolla esta tensión. Juntos, estos parámetros determinan si un disyuntor de vacío resuelve las faltas con éxito o si sufre una ruptura dieléctrica y una reconexión.
Cuando los contactos se separan y el arco se extingue a corriente cero, el sistema no vuelve instantáneamente a las condiciones de estado estacionario. La interacción entre la inductancia y la capacitancia del sistema genera transitorios de tensión oscilatorios. Los despliegues sobre el terreno en instalaciones industriales con extensas redes de cables revelan valores pico de TRV que alcanzan de 1,5 a 2,5 veces la tensión nominal entre 50 y 100 μs después del cero de corriente.
La física implica la transferencia de energía entre los campos magnéticos almacenados en la inductancia del sistema y los campos eléctricos almacenados en la capacitancia del cable. Según la norma IEC 62271-100, los disyuntores de vacío clasificados para 12 kV deben soportar picos TRV de aproximadamente 26,2 kV con valores RRRV de hasta 2,0 kV/μs para condiciones de fallo terminal. Los sistemas conectados por cable presentan retos particulares: la baja impedancia de sobretensión de los cables (30-50 Ω frente a los 300-400 Ω de las líneas aéreas) acelera significativamente la recuperación de la tensión.
La forma de onda TRV depende de tres factores críticos: (1) la impedancia de sobretensión equivalente Zs del sistema conectado, (2) la capacitancia total Ctotal incluida la capacitancia del cable (normalmente 200-300 pF/m para cables XLPE), y (3) la inductancia de cortocircuito Lsc que determina la frecuencia de oscilación. El RRRV inicial puede aproximarse como Upico × ω, donde ω representa la frecuencia angular natural del circuito LC.
La rigidez dieléctrica de la hendidura de contacto debe recuperarse antes de que aumente el TRV. Esta carrera se produce en microsegundos. Si se pierde, el arco vuelve a encenderse.
Los sistemas de cables amplifican la gravedad de los TRV por sus características eléctricas. A diferencia de las líneas aéreas con alta impedancia de sobretensión, los cables eléctricos presentan vías de baja impedancia que aceleran los transitorios de tensión.
Consideremos un alimentador industrial de 12 kV con 200 metros de cable XLPE. La impedancia de sobretensión del cable es de unos 40 Ω. Cuando se produce una avería en el extremo remoto, las ondas viajeras se reflejan entre el interruptor y la ubicación de la avería. El tiempo de ida y vuelta de estas reflexiones es de aproximadamente 2,5 μs, dada la velocidad de propagación del cable de 160 m/μs. Cada reflexión superpone una tensión adicional en el hueco de contacto.
La zona crítica de longitud de cable se sitúa entre 50 y 500 metros. Los cables más cortos producen reflexiones más rápidas, a veces antes de que el interruptor en vacío recupere totalmente la rigidez dieléctrica. Los cables más largos permiten más tiempo de recuperación entre las reflexiones.
Factores que empeoran la TRV del cable:
La experiencia de campo de las instalaciones de alimentadores de motor revela un patrón consistente: los interruptores clasificados adecuadamente para faltas terminales experimentan un rendimiento marginal cuando protegen tramos de cable de menos de 300 metros con corrientes de falta superiores a 15 kA. En estas aplicaciones, la RRRV suele alcanzar los 3-5 kV/μs, muy por encima de los requisitos de servicio de prueba T100 estándar de 2,0 kV/μs.
Ejemplo práctico: Alimentador industrial MCC
Un disyuntor de vacío de 12 kV alimenta un centro de control de motores a través de 150 m de cable XLPE unipolar:
RRRV inicial calculado: aproximadamente 4,2 kV/μs
Esto supera el requisito T100 de la norma IEC 62271-100. La capacidad T30 del disyuntor (5,0 kV/μs) proporciona margen, pero solo si la corriente de fallo real se alinea con ese rango de trabajo de prueba.
[Opinión del experto: Evaluación de la TRV del cable]
- Mida la longitud real de los cables con precisión: las suposiciones basadas en planos suelen subestimar el tendido instalado.
- Solicitar al fabricante curvas de capacidad de TRV que abarquen toda la gama de RRRV, no sólo el cumplimiento del deber de prueba estándar.
- Para tendidos de cable en paralelo, calcule la impedancia de sobretensión combinada (se aplica la fórmula de impedancia en paralelo)
- Los transitorios de arranque del motor no crean tensión en el TRV; centrar el análisis en los escenarios de interrupción de fallos.
La conmutación del condensador invierte la preocupación normal de TRV. El peligro no radica en la interrupción del fallo, sino en la conmutación de la carga, concretamente en el fenómeno de reencendido durante la desenergización.
Cuando un disyuntor de vacío se abre para desconectar una batería de condensadores, la corriente adelanta a la tensión en 90 grados. La interrupción se produce cerca del pico de tensión. El condensador retiene este pico de carga. A medida que la tensión de la fuente oscila entre cero y la polaridad opuesta, el hueco de contacto experimenta una tensión de casi 2,0 por unidad en un semiciclo.
El TRV aumenta lentamente en comparación con la interrupción de la avería: el RRRV sigue siendo modesto. Pero el valor máximo desafía la capacidad de resistencia del hueco precisamente en el momento equivocado: antes de que los contactos se hayan separado por completo.
Si el hueco se rompe (vuelve a producirse), la corriente fluye brevemente hasta el siguiente paso por cero. Ahora la tensión del condensador se ha desplazado. El hueco vuelve a despejarse, pero la tensión que lo atraviesa ha aumentado. Las sucesivas reconexiones aumentan la tensión: 2,0 p.u., luego 3,0 p.u., potencialmente 4,0 p.u. o más. El aislamiento del equipo falla. Funcionan los descargadores de sobretensiones. Rotura de los condensadores.
Clasificaciones de clase C1 frente a clase C2
La norma IEC 62271-100 define las clases de conmutación de condensadores:
| Clase | Requisito de reanudación | Idoneidad de la aplicación |
|---|---|---|
| C1 | Baja probabilidad de restrike | Conmutación general |
| C2 | Probabilidad muy baja (esencialmente cero) | Obligatoriedad de la batería de condensadores |
La certificación de clase C2 requiere superar una secuencia de prueba de 56 operaciones a la corriente capacitiva nominal con control de tensión. Cualquier reinicio constituye un fallo. Para aplicaciones de baterías de condensadores, la especificación de Clase C2 no es negociable.
Los interruptores de vacío modernos con materiales de contacto de CuCr alcanzan el rendimiento de Clase C2 de forma fiable. La recuperación dieléctrica constante de la tecnología de vacío -independiente de la magnitud de la corriente capacitiva- proporciona ventajas inherentes. Sin embargo, Fabricantes de interruptores automáticos de vacío deben diseñarse y probarse explícitamente para este servicio. Los disyuntores de vacío genéricos sólo pueden tener la clasificación C1.
Conmutación inversa de condensadores
Cuando se energiza una batería de condensadores con otras baterías ya conectadas, la corriente de irrupción de las baterías cargadas en la batería no cargada crea una tensión adicional. Este fenómeno difiere de la TRV, pero a menudo se confunde en las especificaciones. La preocupación en este caso es la soldadura por contacto debida a la irrupción de alta frecuencia, no el fallo de recuperación dieléctrica.
No todos los circuitos de cables o instalaciones de condensadores requieren una atención especial. El enfoque del factor de gravedad proporciona un método de selección cuantitativo.
Cálculo del factor de gravedad
SF=RRRVestándar/RRRVactual×Ucstandard/Ucactual
Umbrales de interpretación:
Datos necesarios para una evaluación adecuada
Un análisis TRV preciso requiere:
Para aplicaciones críticas -centrales generadoras, grandes instalaciones industriales, subestaciones eléctricas- la simulación de transitorios electromagnéticos (EMT) proporciona una caracterización TRV definitiva. Los paquetes de software modelan las reflexiones de las ondas viajeras, la respuesta de frecuencia del transformador y el comportamiento real de corte de corriente del interruptor.
Atajo práctico
Cuando la simulación EMT no sea práctica, póngase en contacto con el equipo de ingeniería de aplicaciones del fabricante del interruptor. Proporcione diagramas unifilares, hojas de datos de cables y resultados de estudios de fallos. Los fabricantes de renombre ofrecen la verificación de la capacidad de TRV como parte del soporte técnico de ventas, en particular para proyectos que requieren orientaciones detalladas.
[Expert Insight: Cuándo exigir un análisis TRV detallado]
- Cualquier instalación con cables de menos de 300 m y corriente de defecto superior a 70% del valor nominal del disyuntor.
- Todas las aplicaciones de conmutación de baterías de condensadores, independientemente del tamaño de la batería
- Aplicaciones de aumento del generador en las que la impedancia de la fuente varía con la carga de la máquina
- Adaptaciones que sustituyen a interruptores de aceite o SF6 en los que se desconocen los márgenes TRV originales
- Fallos repetidos de los interruptores durante operaciones de conmutación específicas (el patrón sugiere un problema de TRV).
Existen tres enfoques para hacer frente a condiciones TRV severas: mejora de la capacidad de los disyuntores, dispositivos externos de mitigación o reconfiguración del sistema.
Los fabricantes ofrecen disyuntores de vacío con un rendimiento TRV mejorado mediante:
Solicite curvas de capacidad TRV que muestren la envolvente RRRV frente a Uc que puede soportar el interruptor, no meras declaraciones de conformidad que hagan referencia a tareas de prueba estándar. La curva debe abarcar desde condiciones equivalentes a T100 hasta T10.
Los componentes externos modifican la forma de onda TRV:
Condensadores en derivación (0,1-0,5 μF): Conectados a través de los terminales del disyuntor, proporcionan un depósito de carga local que reduce la RRRV inicial. El condensador se carga a través de la impedancia del sistema, ralentizando el aumento de tensión. Común en aplicaciones de disyuntores de generadores. Requiere coordinación: el propio condensador debe soportar la TRV y puede afectar a la temporización del mecanismo de funcionamiento del interruptor.
Descargadores de sobretensión: Los descargadores de óxido metálico limitan el pico de TRV pero no reducen el RRRV. Útiles cuando el pico de TRV supera la capacidad pero la velocidad de aumento sigue siendo aceptable.
Resistencias de apertura: Muy eficaces, pero rara vez se aplican a media tensión debido a su coste y complejidad mecánica.
A veces, modificar la instalación resulta más económico que especificar disyuntores especiales:
| Parámetro | Requisito estándar | Requisito reforzado |
|---|---|---|
| Capacidad RRRV | Según el ensayo IEC 62271-100 | Sistema real RRRV + margen 20% |
| Pico TRV (Uc) | Valor clasificado | Resultado del estudio del sistema + margen 15% |
| Clase de conmutación de condensadores | C1 aceptable para servicio general | C2 obligatorio para baterías de condensadores |
| Corriente de carga del cable | Valor nominal indicado | Corriente capacitiva real + margen de crecimiento |
| Documentación de prueba | Certificado de ensayo de tipo | Informe de verificación TRV específico de la aplicación |
Reconocer la tensión relacionada con el TRV en los interruptores en funcionamiento permite intervenir antes de que se produzca el fallo.
Indicadores de diagnóstico
Prioridades de mantenimiento
Para interruptores en aplicaciones TRV críticas:
Comprensión factores medioambientales que afectan a la selección de disyuntores de vacío ayuda a planificar el mantenimiento de instalaciones exteriores en las que la contaminación y las temperaturas extremas agravan los problemas de TRV.
Ejemplo de caso: Fallos en baterías de condensadores industriales
Una instalación de batería de condensadores de 12 kV y 15 Mvar experimentó tres fallos de disyuntores en 18 meses. La investigación reveló:
Solución: Sustitución por un disyuntor de vacío de clase C2 más una resistencia de preinserción para obtener un margen adicional durante los transitorios de energización.
Los interruptores automáticos de vacío XBRELE incorporan capacidad de conmutación de condensadores de clase C2 de serie en toda la gama de productos. Nuestro equipo de ingeniería de aplicaciones ofrece asistencia en la evaluación de TRV para instalaciones de cables y condensadores, garantizando la precisión de las especificaciones antes de la adquisición.
Para aplicaciones no estándar, se pueden organizar pruebas personalizadas de verificación de la capacidad TRV a través de nuestras instalaciones de fabricación. Los paquetes de documentación incluyen certificados de ensayo de tipo con datos detallados de la envolvente TRV que comparan la capacidad real con los requisitos de su sistema.
Comprensión fundamentos del interruptor de vacío ayuda a los ingenieros a evaluar cómo el enfoque de diseño de XBRELE ofrece el rendimiento de recuperación dieléctrica que exigen las aplicaciones TRV severas.
Póngase en contacto con nuestro equipo técnico para un análisis TRV específico de la aplicación y orientación para la selección de disyuntores de vacío.
Referencia externa: IEC 60071 - IEC 60071 coordinación del aislamiento
¿Qué valor RRRV indica que un disyuntor de vacío necesita una especificación TRV mejorada?
Para aplicaciones de 12 kV, una RRRV superior a 5 kV/μs en el nivel de corriente de defecto real justifica la consulta al fabricante; los valores cercanos a 7 kV/μs generalmente requieren diseños de disyuntores mejorados o dispositivos externos de mitigación de TRV.
¿Por qué los cables de entre 50 y 500 metros crean condiciones TRV especialmente graves?
Este rango de longitudes produce tiempos de ida y vuelta de las ondas viajeras de 0,6-6 μs, provocando que las reflexiones de tensión lleguen a los contactos del interruptor antes de que el hueco de vacío recupere completamente la rigidez dieléctrica tras la extinción del arco.
¿En qué se diferencia en la práctica la conmutación de condensadores de clase C2 de la de clase C1?
La clase C2 requiere prácticamente cero rearmes en una secuencia de prueba estandarizada de 56 operaciones, mientras que la clase C1 permite una probabilidad de rearmes estadísticamente baja; sólo C2 proporciona el margen de rendimiento que requieren las aplicaciones de baterías de condensadores.
¿Puede la adición de condensadores en los terminales del disyuntor reducir la severidad de la TRV en las instalaciones existentes?
Los condensadores en derivación de 0,1-0,5 μF pueden reducir eficazmente la RRRV inicial proporcionando almacenamiento de carga local, aunque esto requiere la coordinación del fabricante para verificar que el condensador soporta el transitorio y no afecta a la temporización del interruptor.
¿Qué síntomas sugieren que un interruptor está experimentando estrés relacionado con TRV en servicio?
Los patrones asimétricos de erosión de los contactos, los fallos que se producen específicamente durante la desenergización del condensador o la eliminación de fallos en los cables en lugar de aleatoriamente, y las sobretensiones transitorias capturadas durante las operaciones de conmutación indican una posible inadecuación de la TRV.
¿Cómo se compara la tecnología de vacío con el SF6 para aplicaciones TRV severas?
Los interruptores en vacío normalmente logran la recuperación dieléctrica dentro de 5-15 μs después del cero de corriente - más rápido que la tecnología SF6 - proporcionando ventajas inherentes en aplicaciones de alto-RRRV comunes a los circuitos alimentados por cable en rangos de voltaje medio.
¿Cuándo debe exigirse la simulación electromagnética de transitorios para el análisis TRV?
La simulación EMT está garantizada para aplicaciones de estaciones generadoras, instalaciones con corrientes de fallo superiores a 80% del valor nominal del disyuntor combinadas con tramos de cable cortos, y cualquier situación en la que múltiples fallos del disyuntor sugieran problemas no identificados de TRV.
