Equipo de conmutación

En un sistema eléctrico , un cuadro de distribución se compone de interruptores de desconexión, fusibles o disyuntores que se utilizan para controlar, proteger y aislar los equipos eléctricos. Este cuadro se utiliza tanto para desenergizar los equipos y permitir la realización de trabajos como para solucionar fallos en la red. Este tipo de equipo está directamente relacionado con la fiabilidad del suministro eléctrico .

Las primeras centrales eléctricas utilizaban interruptores de cuchilla abiertos , montados sobre paneles aislantes de mármol o amianto . Los niveles de potencia y voltaje aumentaron rápidamente, lo que hizo que abrir interruptores manuales fuera demasiado peligroso para cualquier otra cosa que no fuera aislar un circuito desenergizado. Los equipos de conmutación con aislamiento de aceite permiten contener y controlar de forma segura la energía del arco eléctrico. A principios del siglo XX, un cuadro de distribución consistía en una estructura metálica cerrada con elementos de conmutación accionados eléctricamente mediante interruptores automáticos de aceite. Hoy en día, los equipos con aislamiento de aceite han sido reemplazados en gran medida por equipos de aire comprimido, vacío o SF6 _, lo que permite controlar de forma segura grandes corrientes y niveles de potencia mediante equipos automáticos.

Los interruptores de alta tensión se inventaron a finales del siglo XIX para el funcionamiento de motores y otras máquinas eléctricas. ^{[ 1 ]} La tecnología se ha perfeccionado con el tiempo y ahora se puede utilizar con tensiones de hasta 1100  kV. ^{[ 2 ]}

Por lo general, los interruptores en las subestaciones se ubican tanto en el lado de alta como en el de baja tensión de los grandes transformadores de potencia . Los interruptores del lado de baja tensión de los transformadores pueden estar ubicados en un edificio, con interruptores de media tensión para los circuitos de distribución, junto con equipos de medición, control y protección. Para aplicaciones industriales, un transformador y un conjunto de interruptores pueden combinarse en una sola unidad, denominada subestación unitaria (USS). Según la última investigación de Visiongain, una empresa de investigación de mercado, se espera que el mercado mundial de interruptores alcance los 152.500 millones de dólares para 2029 con una tasa de crecimiento anual compuesta (CAGR) del 5,9 %. Se prevé que el aumento se deba a la creciente inversión en energías renovables y a la mayor demanda de sistemas de distribución eléctrica seguros. ^{[ 3 ]}

Un conjunto de interruptores tiene dos tipos de componentes:

• Componentes conductores de energía, como interruptores, disyuntores, fusibles y pararrayos, que conducen o interrumpen el flujo de energía eléctrica.
• Sistemas de control como paneles de control, transformadores de corriente, transformadores de potencial, relés de protección y circuitos asociados, que supervisan, controlan y protegen los componentes conductores de energía.

Una de las funciones básicas de los interruptores de distribución es la protección, que consiste en la interrupción de las corrientes de cortocircuito y sobrecarga, manteniendo el suministro eléctrico a los circuitos no afectados. Los interruptores de distribución también proporcionan aislamiento de los circuitos respecto a las fuentes de alimentación. Además, se utilizan para mejorar la disponibilidad del sistema, permitiendo que más de una fuente alimente una carga.

Los cuadros eléctricos son tan antiguos como la generación de electricidad . Los primeros modelos eran muy primitivos: todos los componentes simplemente se fijaban a la pared. Posteriormente, se montaron sobre paneles de madera. Por motivos de protección contra incendios, la madera se sustituyó por pizarra o mármol . Esto supuso una mejora adicional, ya que los dispositivos de conmutación y medición podían colocarse en la parte frontal, mientras que el cableado quedaba en la parte posterior. ^{[ 4 ]}

Los interruptores para bajas tensiones pueden estar completamente encerrados dentro de un edificio. Para tensiones más altas (aproximadamente 66 kV), los interruptores suelen montarse al aire libre y aislarse con aire, aunque esto requiere mucho espacio. Los interruptores con aislamiento de gas ahorran espacio en comparación con los equipos con aislamiento de aire, aunque su costo es mayor. Los interruptores con aislamiento de aceite presentan riesgo de derrame de aceite.

Los interruptores pueden accionarse manualmente o disponer de motores que permiten el control remoto.

Un interruptor de distribución puede ser un simple interruptor seccionador al aire libre o estar aislado con alguna otra sustancia. Un tipo eficaz, aunque más costoso, es el interruptor con aislamiento de gas (GIS), donde los conductores y contactos están aislados con gas dieléctrico a presión . Otros tipos comunes son los interruptores con aislamiento de aceite y de vacío.

La combinación de equipos dentro del armario de distribución les permite interrumpir corrientes de falla de miles de amperios. Un interruptor automático (dentro del armario de distribución) es el componente principal que interrumpe las corrientes de falla. La extinción del arco cuando el interruptor automático separa los contactos (desconecta el circuito) requiere un diseño preciso. Los interruptores automáticos se clasifican en estos seis tipos:

Aceite

Los interruptores automáticos de aceite se basan en la vaporización de parte del aceite para proyectar un chorro a lo largo del arco eléctrico. El vapor liberado por el arco consiste en hidrógeno gaseoso . El aceite mineral tiene mejores propiedades aislantes que el aire. Cuando se produce una separación de los contactos conductores de corriente en el aceite, el arco en el interruptor automático se inicia en ese momento. Debido a este arco, el aceite se vaporiza y se descompone, principalmente en hidrógeno gaseoso , creando finalmente una burbuja de hidrógeno alrededor del arco eléctrico . Esta burbuja de gas altamente comprimida alrededor del giro impide que el arco se reinicie después de que la corriente alcance el cruce por cero del ciclo. El interruptor automático de aceite es uno de los tipos de interruptores automáticos más antiguos.

Se pueden hacer varias clasificaciones diferentes de los equipos de conmutación: ^{[ 8 ]}

Una misma línea de distribución puede incorporar varios tipos diferentes de dispositivos; por ejemplo, barras colectoras aisladas con aire, disyuntores de vacío e interruptores de accionamiento manual pueden coexistir en la misma fila de cubículos.

Las clasificaciones, el diseño, las especificaciones y los detalles de los interruptores eléctricos se rigen por una multitud de normas. En Norteamérica se utilizan principalmente las normas IEEE y ANSI ; en gran parte del resto del mundo se utilizan las normas IEC , a veces con variantes o adaptaciones nacionales.

Para garantizar la seguridad en las secuencias de operación de los interruptores, el enclavamiento con llave retenida ofrece escenarios de operación predefinidos. Por ejemplo, si solo se permite conectar una de dos fuentes de alimentación a la vez, el sistema de enclavamiento puede requerir que se abra el primer interruptor para liberar una llave que permita cerrar el segundo. También son posibles sistemas complejos.

Los cuadros de distribución interiores también pueden someterse a pruebas de tipo para la contención interna del arco (p. ej., IEC 62271-200). Esta prueba es importante para la seguridad del usuario, ya que los cuadros de distribución modernos son capaces de conmutar grandes corrientes. ^{[ 15 ]}

Los cuadros de distribución se inspeccionan frecuentemente mediante termografía para evaluar el estado del sistema y predecir fallos antes de que se produzcan. Otros métodos incluyen pruebas de descarga parcial (DP), utilizando comprobadores fijos o portátiles, y pruebas de emisión acústica mediante transductores de superficie (para equipos de aceite) o detectores ultrasónicos utilizados en subestaciones exteriores. Los sensores de temperatura instalados en los cables de los cuadros de distribución permiten monitorizar de forma permanente el aumento de temperatura. Los equipos de SF6 _incorporan invariablemente alarmas y enclavamientos para advertir de la pérdida de presión e impedir su funcionamiento si la presión desciende demasiado.

La creciente concienciación sobre los peligros asociados a los altos niveles de fallo ha llevado a los operadores de red a especificar operaciones a puerta cerrada para los interruptores de puesta a tierra y el montaje de interruptores. Muchas compañías eléctricas europeas han prohibido a los operarios el acceso a las salas de interruptores durante las operaciones. Existen sistemas de montaje remoto que permiten al operario montar los interruptores desde una ubicación remota sin necesidad de llevar un traje de protección contra arco eléctrico. Los sistemas de interruptores requieren mantenimiento y servicio continuos para garantizar su seguridad y su plena optimización para suministrar tensiones tan elevadas. ^{[ 16 ]}

• Arco eléctrico
• Cortacircuitos
• Desconectador
• Seguridad eléctrica
• Arco voltaico
• Alto voltaje
• Sistema de montaje remoto
• Cortocircuito