- Concepción de la envolvente y del dispositivo de corte

La limitación esencial es la estanqueidad de la cámara de vacío: por ejemplo, las piezas móviles que la atraviesan deben evitarse. La sensibilidad a las partículas y la posibilidad de soldadura en frío hacen que los contactos deslizantes no se utilicen en el vacío. En consecuencia, los contactos son simplemente
frontales y la energía de maniobra para estos aparatos es pequeña (30 a 50 J). En
contrapartida, las presiones de contacto deben ser elevadas para minimizar la resistencia de contacto y evitar la separación de los contactos cuando pase una intensidad de cortocircuito.
Estas presiones de contacto necesarias imponen unas limitaciones mecánicas elevadas.
Teniendo en cuenta que las distancias de aislamiento en el vacío son pequeñas, y que los mecanismos han de ser simples, las cámaras pueden ser muy compactas. Así, su volumen es función del PdC (que incide en el diámetro de la cámara) pero es la rigidez dieléctrica externa de la envolvente la que resulta preponderante para
definir el dimensionado del aparato.
Esta tecnología la dominan bien ahora los grandes constructores, cuyos aparatos tienen una esperanza de vida superior a 20 años. Sin embargo hay que resaltar que el control permanente del vacío durante la explotación no es posible, ya que se necesita poner el equipo sin tensión y un aparato de medida adecuado.
El mantenimiento predictivo necesario, en caso de fuga accidental, para vigilar la fiabilidad de los cuadros eléctricos de MT no es pues aplicable
con esta tecnología.
Los campos de aplicación del corte en el vacío Está técnica de corte permite hoy la realización de aparatos que tienen una gran durabilidad mecánica y eléctrica con unas TTR de frente muy rápida.
Es en el campo de la MT donde más se emplea esta técnica: hay disponibles disyuntores de uso general para las diferentes aplicaciones con todos los poderes de corte habituales (hasta 63 kA). Se utilizan para la protección y mando:
- de cables y de líneas aéreas,
- de transformadores,
- de condensadores en batería única,
- de motores e inductancias shunt.
Están particularmente adaptados para el mando de hornos de arco (alta durabilidad eléctrica) pero hay que utilizarlos con precaución en el mando de
escalones de condensadores en paralelo.
Esta técnica se utiliza también para los contactores que requieren una gran resistencia mecánica, pocas veces, por razones económicas, se utiliza para los interruptores.
En baja tensión: el uso de esta técnica es marginal por razones de coste y de falta de poder limitador. De una manera general, en BT su empleo se limita a las corrientes asignadas comprendidas entre 800 y 2500 A y para poderes de corte inferiores a 75 kA. En alta tensión ( ) el uso de esta técnica está
todavía en el campo de la prospectiva.
Observaciones:
- Para el corte de corrientes capacitivas, en el vacío la resistencia dieléctrica después del corte es aleatoria, y se traduce por un riesgo de reencendidos importante. De hecho, los disyuntores bajo vacío se adaptan mal a la
protección de redes capacitivas con tensiones superiores a 12 kV o que incluyen baterías de condensadores.
- Con los interruptores con contactos en el vacío hay un riesgo de soldadura de contactos, en particular después de un cierre sobre un cortocircuito. Este es el caso en algunas operaciones de explotación, por ejemplo para reparar un defecto, o en el ciclo de ensayos previstos por las normas. En efecto, después de
una abertura sin carga, la ausencia de arco no permite eliminar las asperezas dejadas por la rotura de la soldadura, soldadura realizada después del cierre en carga. Este deterioro del estado de la superficie facilita todavía más el
preencendido después de cierres sucesivos y amplifica la importancia de las soldaduras, con el riesgo de una soldadura definitiva.
El empleo de estos interruptores exige pues algunas precauciones.
- Para el mando de motores, hay que tomar precauciones particulares debido a que los disyuntores o contactores en vacío cortan las corrientes de alta frecuencia (fenómenos de reencendidos) y así están en el origen de sobretensiones. Aunque existen aparatos específicos, es preferible prever limitadores de sobretensión del tipo de ZnO.

3.5 El corte en el SF6

El hexafluoruro de azufre –SF6– es un gas apreciado por sus numerosas cualidades químicas y dieléctricas. La técnica de corte en este gas ha sido desarrollada, en los años 70, simultáneamente con la del vacío.

Propiedades del SF6

- Propiedades químicas
Es un gas no contaminante, incoloro, inodoro, no inflamable y no tóxico en su estado puro. Es insoluble en el agua.
Es químicamente inerte: sus moléculas tienen todos sus enlaces químicos saturados y una energía de disociación elevada (+ 1096 kJ/mol) así como una gran capacidad para evacuar el calor producido por el arco (entalpía elevada).
Durante el período de arco, bajo el efecto de la temperatura que puede alcanzar 15 000 ó 20 000 K, el SF6 se descompone. Esta descomposición es casi reversible: cuando la intensidad disminuye, la temperatura disminuye y
entonces los iones y los electrones se recombinan para reconstruir la molécula SF6.
En presencia de impurezas, tales como el dióxido de azufre o el tetrafluoruro de carbono, se genera una pequeña cantidad de subproductos de la degradación del SF6. Estos subproductos permanecen confinados en las cámaras y se absorben muy fácilmente por elementos activos como el silicato de aluminio frecuentemente
emplazados dentro de la envolvente del aparato de corte.
El informe 61634 de la CEI sobre la utilización del SF6 en la aparamenta de corte da unos valores típicos de subproductos encontrados después de varios años de servicio. Las cantidades producidas se mantienen pequeñas y sin riesgo para las personas ni el entorno: aire (unas pocas ppmv), CF4 (40 ppmv a 600 ppmv),
SOF2 y SO2F2 (en cantidad despreciable).

- Propiedades físicas
- Propiedades térmicas
La conductividad térmica del SF6 es equivalente a la del aire, pero el estudio de la curva de conductividad térmica del SF6 a temperaturas elevadas indica un pico a la temperatura de disociación del SF6 (figura 30).

CONSTRUSUR

- Propiedades dieléctricas
El SF6 tiene una rigidez dieléctrica muy elevada gracias a las propiedades muy electronegativas del flúor (figura 21):
– Sus electrones libres tienen una vida media muy pequeña y, con las moléculas de SF6, forman unos iones pesados de poca movilidad.
La probabilidad de ruptura dieléctrica por avalancha queda así retardada.
– Confiere a su entorno una constante de tiempo de desionización muy pequeña, del orden de 0,25 s (figura 19).

El mecanismo de corte en el SF6
- El arco eléctrico en el SF6
Su estudio térmico permite describirlo como que está formado por un plasma de SF6 disociado, de forma cilíndrica, constituida por un núcleo a una temperatura muy elevada en función de la corriente cortada, envuelto de una vaina de gas
más frío. El núcleo y la vaina están separados por una zona de transición de temperatura ligada a la temperatura de disociación de la molécula.
Cerca de 2 000°C, esta zona de transición permanece sin cambios cuando la intensidad de la corriente varía (figura 31).

CONSTRUSUR

Durante el período de arco, la totalidad de corriente se transporta por el núcleo puesto que la temperatura de la zona de transición es inferior a la temperatura mínima de ionización y la vaina exterior se mantiene aislante. Las características generales del arco dependen del tipo de corte utilizado (auto-compresión, arco
giratorio, auto-expansión) y se indican en los párrafos que tratan de cada uno de estos tipos de corte.
- Paso por cero de corriente

Con la disminución de la intensidad, la temperatura del núcleo disminuye, con lo que su conductividad eléctrica comienza también a disminuir.
Al acercarse el cero de corriente, los intercambios térmicos entre la vaina y el núcleo resultan muy importantes. El núcleo desaparece, implicando la desaparición de la conductividad con una constante de tiempo muy pequeña
(0,25 s) pero insuficiente para cortar las corrientes de alta frecuencia (no los
reencendidos).

Las distintas tecnologías de corte en el SF6 y sus campos de aplicación

En los aparatos de SF6, los contactos están situados en el interior de una envolvente cerrada y rellena de gas cuya presión varía según la
tensión y los parámetros de diseño. Estas envolventes generalmente están selladas de por vida puesto que se ha conseguido que las tasas
de fuga estén a un nivel muy bajo. Pueden instalarse unos sistemas de presostatos o de densímetros que permitan controlar permanentemente la presión del gas dentro de la envolvente.
Existen muchas tecnologías de aparamenta con SF6 que difieren por el modo de enfriamiento del arco y cuyas características y campos de aplicación varían.

- El corte por auto-compresión

En este tipo de disyuntor, la expansión de un volumen de SF6 comprimido por un pistón sopla el arco. Al abrir el aparato, un cilindro solidario con
el contacto móvil se desplaza y comprime un volumen de SF6 (figura 32a). Un tubo de soplado canaliza el gas hacia el centro del arco. El gas se evacúa a través de los contactos huecos.
Con intensidades fuertes, el arco provoca un efecto de tapón que contribuye a la acumulación de gas comprimido. Cuando la intensidad se aproxima a cero, el arco primero se enfría y después se extingue gracias a la inyección de nuevas moléculas de SF6. El valor medio de la tensión de arco está comprendido entre 300 y 500 V.
Esta tecnología permite cortar sin dificultad todas las intensidades hasta el PdC, sin una intensidad crítica puesto que la energía necesaria para soplar el arco se produce por empuje mecánico y por tanto es independiente de la corriente que hay que cortar.

- Magnitudes características

Las presiones relativas de SF6 que se utilizan generalmente varían entre 0,5 bar (16 kA, 24 kV) hasta 5 bar (52 kV), lo que permite la realización de envolventes selladas sin fugas con todas las garantías de seguridad.
Los factores que afectan a las dimensiones de la cámara de corte son los siguientes:
– La capacidad para soportar la tensión de los ensayos de entrada/salida, lo que condiciona la distancia de aislamiento entre los contactos abiertos. Ésta puede ser constante y del orden de 45 mm teniendo en cuenta las presiones de
SF6 utilizado.
– La intensidad de cortocircuito a cortar dimensiona el diámetro del tubo de soplado y de los contactos.
– La potencia de cortocircuito a cortar impone las dimensiones del pistón de soplado (en 24 Kv el volumen de gas soplado es del orden de 1 litro
para un PdC de 40 kA).
La energía de apertura de 200 J (16 kA) a 500 J (50 kA), es relativamente elevada a pesar de lo compactos que son los aparatos a causa de la energía necesaria para la comprensión del gas.