Mantenimiento y Pruebas de Interruptores de Circuito: Asegurando la Fiabilidad Eléctrica

El interruptor de circuito tiene que operar dentro de tolerancias extremadamente ajustadas cuando se detecta una perturbación en la red para proteger a componentes sensibles y costosos como los transformadores. Para garantizar el correcto funcionamiento y optimizar la confiabilidad de la red, se necesitan instrumentos y métodos de prueba.

¿Por qué probar interruptores de circuito?

• Brindan protección para equipos costosos.
• Impiden fallas que produzcan una pérdida en los ingresos.
• Garantizan la confiabilidad del suministro eléctrico.
• Impiden la interrupción en el servicio y la oscuridad.
• Verifican el rendimiento de los interruptores.

El diseño y la operación de los interruptores de circuito de alto voltaje, así como también el tipo y las pruebas de rutina, están definidas en las normas internacionales tales como:

• IEC 62271-SER ed1.0: Conmutadores y equipo de control de alto voltaje.
• ANSI/IEEE C37: Guías y normas para interruptores de circuito, conmutadores, relés, subestaciones y fusibles.
• IEC/TIR 62063 ed1.0 (1999-08) TC/SC 17: Conmutadores y equipo de control de alto voltaje – El uso de la electrónica y de tecnologías asociadas en el equipo auxiliar de conmutadores y equipo de control de alto voltaje.

Tipos de Interruptores

Interruptores de desconexión y de carga: Los interruptores de desconexión se utilizan para aislar físicamente del sistema eléctrico a los conmutadores durante el trabajo de mantenimiento. Transmiten carga y corriente de falla, pero no interrumpen una carga. La función de un interruptor de desconexión es desconectar la red de los objetos de la subestación y cambiar el arreglo de interrupción.

Función general de los interruptores de circuito (apertura bajo carga): El interruptor de circuito está diseñado para interrumpir las corrientes de falla, por ejemplo, corrientes de cortocircuito.

Contactos principales y de arco: Los contactos principales conducen las corrientes normales de operación y los contactos de arco se utilizan para descargar los contactos principales cuando el interruptor abre y cierra. Esto protegerá a los contactos principales de que se quemen.

Tecnología de Interruptores de Circuito

Los interruptores de circuito se pueden dividir principalmente en 3 grupos, que dependen del medio que encierra (aísla) los contactos del interruptor:

• De aire/gas:
  • Interruptor de circuito de aire (ACB)
  • De aire comprimido
  • SF6
• De vacío.
• De aceite:
  • De baño de aceite
  • De volumen mínimo de aceite

El circuito aislado SF6 (hexafluoruro de azufre) son más o menos el único tipo instalado actualmente dentro de las redes de transmisión, principalmente debido a sus especificaciones y características totales relativamente altas en relación con su precio. Los interruptores de vacío se instalan más comúnmente a niveles de voltaje del sistema de hasta 70 Kv. Tanto los interruptores de circuito de SF6 como los de vacío son muy comunes en las redes de distribución actuales.

Los conmutadores con aislamiento de gas (GIS) están diseñados y ensamblados por una combinación de módulos de función estandarizada como interruptores de circuito, interruptores de desconexión, conmutadores con conexión a tierra, transformadores de corriente y de voltaje y módulos complementarios.

• De aire y gas:
  • Interruptores de circuito de aire (ACB): Se pueden utilizar tanto como interruptores de circuito de sistemas eléctricos de distribución de bajo voltaje, como para protección de equipos eléctricos en plantas e industrias. Un principio común de interrupción es utilizar el campo magnético, creado por la corriente que circula a través del ACB, para forzar el arco hacia la laminilla de aislamiento. A medida que el arco avanza entre las laminillas, eventualmente se supera la distancia para mantener el arco y se extingue.
  • De aire comprimido: Se convirtieron en el interruptor de circuito común para aplicaciones de alto voltaje y muy alto voltaje. El aire se comprime en un reservorio hasta 14 VAR. Los contactos se abren por un soplo de aire comprimido producido por la apertura de una válvula. El aire comprimido es liberado y dirigido hacia el arco con alta velocidad. El aire comprimido enfría el arco y barre los productos del arco. Esto aumenta la rigidez dieléctrica del medio entre los contactos e impide que se reestablezca el arco. El arco se extingue y la corriente se interrumpe.

Elementos Importantes del Interruptor de Circuito

Contactos principales: El contacto principal en un interruptor de circuito es el elemento que conduce la corriente entre la parte estacionaria y la parte móvil del interruptor, y de esta manera, una gran superficie con muy baja resistencia ( ) es vital para una vida de servicio prolongada. El cobre recubierto con plata es el material más común utilizado para los contactos principales.

Contactos de arco: Es un contacto en paralelo con el contacto principal y se encarga del arco durante la apertura. El contacto de arco se libera seguidamente de la apertura de contacto principal. Un interruptor de circuito sufre desgaste de contacto de arco durante la operación normal, y lo hace en la peor condición cuando interrumpe corrientes de cortocircuito. Si el contacto de arco es demasiado corto o de alguna manera está en malas condiciones, el interruptor se hace poco confiable.

Mecanismo de operación: Una gran mayoría de mecanismos de operación están diseñados a prueba de disparos, significa que el interruptor de circuito puede realizar una operación de apertura completa. Un problema que tienen los interruptores de circuito es que no se operan con suficiente frecuencia. Pueden permanecer cerrados durante días, semanas o incluso años. La carga estática en los cojinetes hace que la lubricación se desplace de modo que el cojinete en última instancia alcance un estado de 0 lubricación.

Funcionabilidad del mecanismo: Contactos AUX y bobina:

• Las bobinas electromagnéticas se utilizan para controlar la operación de las mayorías de los interruptores del circuito. Son rápidas y confiables, pero son unas de las causas comunes que generan problemas al interruptor del circuito, ya que se pueden quemar o atascar en su posición.
• Los contactos AUX son contactos que siguen o que tienen una conexión opuesta al contacto principal. Una tarea importante para una tarea AUX es la desconexión de la bobina cuando haya operado. La bobina se desconecta para evitar daños, ya que están diseñadas para ser energizadas un pequeño tiempo.

Mecanismos de operación de varios tipos:

• Accionado por resortes: Este mecanismo es un sistema de activación mecánica que utiliza un resorte, el cual se comprime con un motor eléctrico y se sostiene por medio de un sistema de enclavamiento o enganche. Cuando el interruptor se dispara, este enganche o enclavamiento se libera por la fuerza magnética por la bobina, la energía del resorte mueve contactos por medio de la transmisión de la energía mecánica.
• Hidráulica/presión del gas: El mecanismo de operación hidráulica posee un acumulador de nitrógeno para almacenar la energía de activación. El fluido hidráulico es presurizado por un colchón comprimido de nitrógeno. Un pistón hidráulico transmite la potencia para activar los contactos del interruptor.
• Hidráulica / resorte: Este mecanismo es una combinación de hidráulica y resortes. Se almacena energía en conjuntos de resortes que se tensionan hidráulicamente. Se transmite la potencia hidráulicamente para operar los contactos del interruptor del circuito.
• Neumático: La energía se almacena como aire comprimido en un resorte de aire (reservorio o tanque del compresor) y la presión de aire se convierte en movimiento mecánico por medio del impulso de un pistón. Algunos tipos usan una combinación de resorte y presión de aire, donde el resorte por lo general maneja la operación de cierre y la presión de aire, la operación de apertura. En estas configuraciones es común que el resorte esté cargado durante la operación de la apertura.
• Motor reductor: Al recibir la orden, las operaciones necesarias se ejecutan de acuerdo con el programa de movimientos de contactos almacenados y el motor es controlado para mover en concordancia los contactos primarios del interruptor del circuito.
• Térmico magnético: La corriente que circula por el circuito calienta el sensor bimetálico de corriente provocando dilatación, lo que hace que se doble, esto libera la armadura y un resorte fuerza la apertura de los contactos.

Modos de Falla

Falla: Deficiencia en el desempeño de la función o funciones de un elemento.

Falla mayor: La falla de un conmutador o equipo de control que cause el cese de una o más de sus funciones fundamentales. Una falla mayor producirá un cambio inmediato en las condiciones de operación del sistema.

Falla menor: Es la falla de un equipo que no sea una falla mayor o cualquier falla, incluso completa.

Tipos de falla:

• Motores: El índice general de fallas mayores de los interruptores de circuito se detalla a continuación:
  • Falla de componentes a voltaje de servicio.
  • Falla en el control eléctrico y circuitos auxiliares.
  • Mecanismo de operación, incluida la cadena cinemática.
• Comunes:
  • No se cierra sin una orden.
  • No se abre sin una orden.
  • Averías en los polos y/o conexión a tierra.
  • Opera sin una orden.
• Fallas en componentes:
  • Mecanismo de operación.
  • Interruptores.
  • Aislamiento.
  • Bastidor o base.

Aspectos del Mantenimiento

El intervalo promedio entre reacondicionamientos programados es de 8,3 años. Este se puede extender en muchos casos. Los 3 temas importantes para el mantenimiento de un interruptor son:

• Lubricación.
• Ajuste de contactos.
• Negligencia operacional en la falta de mantenimiento.

Lo más importante para el mantenimiento de un interruptor es el engrase. Todos los interruptores utilizan grasa como lubricante y la grasa tiende a secarse por el tiempo debido al calor producido en las partes del interruptor que conducen las cargas.

Estrategias de Mantenimiento

El objetivo más importante es lograr una confiabilidad máxima al más bajo costo del ciclo de vida posible. Es importante empeñarse por tener las mismas condiciones en todas las pruebas. La adquisición de señales de alta precisión también es necesaria, junto con la alta exactitud de medición (precisión) y un medio confiable de almacenamiento para datos. A continuación, se detalla una serie de enfoques respecto del mantenimiento:

• Mantenimiento centrado en la confiabilidad: Mantenimiento predictivo, pero con prioridades de valor/importancias tomadas en consideración. El objetivo primario aquí, es preservar las funciones del sistema determinando la criticidad de los componentes individuales.
• Mantenimiento correctivo: Se actúa cuando ocurre el acontecimiento. Si se adopta una estrategia de mantenimiento que es estrictamente correctiva, no se intenta ocuparse de una falla en desarrollo de un interruptor de circuito antes que se torne fatal.
• Mantenimiento preventivo: Basado en tiempo o en cantidad de operaciones, incluye la inspección, la prueba, el reacondicionamiento y las modificaciones. Esta estrategia se presenta con más frecuencia.
• Mantenimiento basado en intervalos periódicos de tiempo: A realizarse a intervalos regulares. En un mantenimiento basado en intervalos, se toman una serie de medidas en tiempos predeterminados, sin tener en cuenta las condiciones bajo las cuales opera un interruptor de potencia.
• Mantenimiento basado en las condiciones: La necesidad de hacer mantenimiento en un interruptor se basa menos en el tiempo que en las condiciones a las que está expuesto, la frecuencia con la que opera y su medio ambiente. El mantenimiento brinda excelentes oportunidades para mejorar la confiabilidad y recortar costos, pero requiere métodos de diagnóstico eficaces.
• Prueba en línea: Verificación de la condición sin retirar el interruptor de potencia del servicio. Brinda información valiosa en un tiempo relativamente corto. Los métodos de prueba que están disponibles para la prueba en línea son los siguientes:
  • Prueba de primer disparo/primer cierre con análisis de corriente de bobinas.
  • Test de vibraciones.
  • Temporización de contactos principales, a través del censado de la corriente secundaria del transformador de corriente.
  • Temporización de contactos auxiliares.
  • Medición de voltaje de control.
  • Medición del movimiento, en ciertas condiciones.

Cómo Realizar Pruebas

Las pruebas se realizarán de acuerdo con las normas, regulaciones locales y mejores prácticas que sean de aplicación. El aspecto de seguridad es muy importante, se deberá seguir cuidadosamente todas las regulaciones e instrucciones de seguridad. Antes de la prueba, realice una inspección visual para verificar si existen señales de daños. Después de un tiempo prolongado sin operación, el interruptor debe funcionar perfectamente cuando se lo necesita, lo cual es comprobable en una sola oportunidad al hacer una prueba de primer disparo.

Los fabricantes de interruptores normalmente especifican estas secuencias y los correspondientes tiempos especificados, que se definen según la norma IEC 62.271-100.

La mejor manera de mejorar la seguridad del personal al trabajar en una subestación es aumentar la distancia entre el personal y los dispositivos con voltaje. Las regulaciones y leyes exigen que todos los objetos/dispositivos deben tener conexión a tierra en ambos extremos antes de realizar tareas de mantenimiento.

La mayoría de las subestaciones tienen un sistema de tierra común y no se requiere realizar acciones relacionadas. En el caso que la subestación tenga sistema de conexión a tierra separados, son posibles dos alternativas:

• Vincular en forma temporaria los dos sistemas de conexión a tierra.
• Utilizar un transformador de aislamiento para alimentar el instrumento de prueba.

Rutina paso a paso:

• Se debe conectar ambos extremos a tierra al vincularse, y si fuera posible, al medir también.
• Instrumento conectado a tierra.
• Conductores de tierra cortos.
• No dejar el interruptor al circuito abierto cuando está conectado a tierra en un extremo.
• Retirar las conexiones en el orden correcto.

Prueba con doble conexión de tierra:

• Mayor seguridad para el personal de campo.
• Adecuada para todo tipo de interruptores de circuito.
• No inclusiva y no requiere información previa.
• No modifica la interpretación ni la forma de trabajar.
• Solo lo hace más rápido y práctico.

Esta tecnología posibilita temporizar los contactos principales de un interruptor de circuito con ambos extremos conectados a tierra. Por lo tanto, los voltajes peligrosos se pueden mantener a distancia. Se puede crear un área segura alrededor del interruptor de circuito y marcarlo claramente con un vallado de seguridad. Se pueden evitar los accidentes con arcos eléctricos y electrocuciones. Los procedimientos de seguridad establecen que ambos extremos de un interruptor se deben conectar a tierra cuando se trabaja sobre el interruptor en pruebas en el campo.

Elementos que Deben ser Probados e Inspeccionados

• Mecanismo de operación y accesorios eléctricos.
• Contactos de arco y principales.
• Cámara de arco.
• Circuito principal, barras colectoras.
• Contactos de aislamiento.
• Pinzas de conexión a tierra (aplica solo para interruptores de circuito de potencia extraíble).
• Conexión de puesta a tierra (solo para interruptores de circuito de potencia fijos).
• Suministro de voltaje de circuito auxiliar.

Métodos y Parámetros de Prueba

• Prueba de primer disparo.
• Temporización de contactos.
• Prueba de inyección primaria.
• Movimiento.
• Medición de resistencia estática.
• Medición de resistencia dinámica.
• Interrupción sincronizada.
• Prueba de bobina.
• Prueba de voltaje mínimo.
• Voltaje mínimo requerido para operar el interruptor.
• Prueba de vibraciones.
• Prueba de botella de vacío.
• Prueba primaria.
• Prueba de aceite.
• Fuga de SF6.
• Prueba de humedad.
• Prueba de presión de aceite.

Temperatura: La temperatura puede afectar tanto a los instrumentos de medición como al objeto de medición y de allí, el resultado. Las temperaturas bajas, en particular, pueden hacer que las partes mecánicas se muevan más lentamente debido a que el aceite y la grasa se tornan más viscosos.

Perturbaciones

Para evitar perturbaciones innecesarias, los instrumentos en general, deben estar conectados a tierra y el objeto de prueba debe estar desconectado de la red y también conectado a tierra en al menos un extremo.

Importancia de Conocer la Causa de los Errores

Las corrientes acopladas en forma capacitiva pueden alcanzar, en el peor de los casos, valores de hasta 20 mA en las subestaciones de alto voltaje. La corriente acoplada en forma capacitiva se puede ver como una fuente de corriente constante.

Acoplamiento inductivo: Esta corriente puede interferir con la medición de resistencia estática y dinámica y afecta el valor de la medición. Como la corriente acoplada en forma inductiva es de corriente alterna, la misma contribuirá a la corriente de prueba durante una mitad del periodo, será puesta durante la otra mitad introduciendo un error en la lectura de la caída de voltaje.

Conexiones, Conductores y Pinzas

Asegúrese de que hay un buen contacto eléctrico con el objeto de prueba. Asegúrese de que conecta lo más cercano posible al punto de medición, en especial durante las mediciones de resistencias. La operación del interruptor de circuito es muy poderosa y las vibraciones pueden causar que las pinzas pierdan la conexión con el objeto durante la conexión mientras mantenga los cables cortos y retuérzalos cuando sea necesarios para evitar inducción de los campos magnéticos.

Prueba de primer disparo: Las mediciones y conexiones se realizan mientras el mismo está en servicio. Todas las conexiones se realizan dentro del gabinete de control. Las pruebas se realizan después que se ha sacado de servicio al interruptor de circuito y se lo ha operado una o dos veces.

Temporización de contactos: De acuerdo con la norma IEC para los contactos principales, aplica la definición de mediciones de tiempo:

• Tiempo de apertura.
• Tiempo de cierre.

Prueba de inyección primaria: Consiste en inyectar una corriente alta en el extremo primario del transformador de corriente. Estas pruebas se hacen como parte de la puesta en servicio. La manera de verificar que un interruptor de circuito de acción directa y bajo voltaje opera adecuadamente, es inyectar una alta corriente.

Movimiento: De la curva de movimiento, se puede calcular una curva de velocidad o aceleración para revelar a un cambio marginal que pueden haberse producido en los mecanismos del interruptor. El movimiento por la trayectoria del contacto es capturado, conectando un transductor de trayectoria en la parte móvil del mecanismo de operación. El transductor provee un voltaje analógico relacionado con el movimiento del contacto. El movimiento se representa como una curva de distancia contra tiempo que permite análisis adicionales.

Medición de resistencia estática: La prueba se realiza inyectando C.C a través del sistema de contactos principales del interruptor, cuando el interruptor de circuito está cerrado, la medición de la caída de voltaje permite calcular la resistencia. El valor de la resistencia del contacto principal del contacto principal refleja el estado de las partes conductoras.

Medición de resistencia dinámica: Las pruebas se realizan inyectando corriente continua por los contactos principales, midiendo la caída de voltaje y la corriente mientras se opera el interruptor. El analizador de interruptores calcula y grafica la resistencia en función del tiempo. Si se registra en forma simultánea el movimiento del contacto, se puede leer la resistencia en cada posición del contacto. Este método se utiliza para el diagnóstico de contactos y en algunos casos también para medir tiempos.

Interrupción sincronizada: A fin de probar el funcionamiento de un dispositivo de interrupción controlada, se registran una o más corrientes de los transformadores de corriente y voltaje de referencia desde los transformadores de voltaje, junto con señales de salida del controlador, mientras se generan órdenes de apertura y cierre.

Prueba de bobina: Cuando se energiza una bobina de disparo (1) la corriente sube por uno de sus devanados. La línea de fuerza magnética en la bobina magnetiza el núcleo de hierro de la armadura, lo que induce una fuerza en la armadura. La corriente que fluye por la bobina de disparo aumenta hasta el punto en que las fuerzas ejercidas sobre la armadura son suficientes para superar las fuerzas combinadas de la gravedad y la fricción, empujando (2) a la armadura a través del núcleo de la bobina de disparo. La magnitud de la corriente inicial (1-2) es proporcional a la energía requerida para mover la armadura desde su posición de reposo inicial. El movimiento del núcleo de hierro a través de la bobina de disparo genera una fuerza electromagnética en la bobina, que a su vez tiene un efecto sobre la corriente que fluye por ella. La velocidad de crecimiento de la corriente depende del cambio en la inductancia de la bobina. La armadura opera el enganche de disparo {3-4}, que a su vez colapsa el mecanismo de disparo {4-5}. La anomalía en {4} es el punto donde la armadura se detiene en forma momentánea con el soporte. Se requiere más energía para que la armadura continúe su movimiento y supere la carga adicional del soporte. La anomalía puede deberse a la degradación de los cojinetes del soporte, lubricación, cambio de temperatura, fuerza excesiva en los resortes de apertura o ajuste del mecanismo. La armadura completa su trayectoria {4-5} y alcanza el tope {5}. Resulta de interés la curva {4-5}. Mientras la armadura se mueve desde el punto en que se desengancha del camino de disparo {4} hasta el tope {5}, la inductancia de la bobina cambia. La curva es una indicación de la velocidad de la armadura. Cuanto mayor sea la pendiente de la curva, más rápido será el movimiento de la armadura. Una vez que la armadura ha completado su trayectoria y ha alcanzado el tope {5}, hay un cambio en las características de la corriente. La magnitud de la corriente {7} depende de la resistencia de corriente continua de la bobina. El contacto "a" se abre {8} para desenergizar la bobina de disparo y la corriente decae hasta 0.

Prueba de voltaje mínimo: La prueba se realiza aplicando el mínimo voltaje de operación especificado y verificando que el interruptor opere dentro de los parámetros de operación especificados. El voltaje de prueba estándar es 85% y 70% del voltaje nominal para cierre y apertura respectivamente.

Prueba de vibraciones: La prueba de vibraciones se basa en la premisa de que todos los movimientos mecánicos en un equipo producen sonidos y/o vibraciones, se puede evaluar la condición del equipo correspondiente, se puede realizar de manera muy segura para el técnico de mediciones, la que en ambos extremos se pueden conectar a tierra durante la prueba. Además, requiere de menos actividades de trepar, ya que no se requiere acceso al sistema de contactos del interruptor. El sensor de aceleración se puede montar fácilmente sobre el interruptor.

Prueba de botella de vacío: La botella de vacío en un interruptor de circuito de vacío se prueba con alto voltaje de corriente continua o corriente alterna para verificar que la integridad del vacío esté intacta.

Fuga de hexafluoruro de azufre (SF6): La fuga de SF6 es uno de los problemas más comunes con interruptores de circuito. La fuga se puede producir en cualquier parte del interruptor donde se juntan 2 partes, tal como en encastre de válvulas, aisladores pasantes y bridas, pero en algunos casos, poco frecuentes, puede suceder directamente a través del aluminio debido a una fundición de baja calidad. Estas pérdidas se pueden localizar utilizando detectores de fugas de gases o equipos de imágenes térmicas.

Prueba de humedad: Dado que la humedad puede causar corrosión y descargas disruptivas dentro de un interruptor, es importante verificar que el contenido de humedad dentro de un interruptor de SF6 se mantenga en niveles mínimos. Esto se puede lograr ventilando una pequeña cantidad de gas SF6 del interruptor en un analizador de humedad para medir el contenido de humedad del gas.

Prueba de presión de aire: Esta se realiza en interruptores de aire comprimido. El nivel de presión, la velocidad de caída de presión y el flujo de aire se miden durante varias operaciones. También se pueden medir la presión de bloqueo que bloqueará al interruptor en el caso de que la presión sea muy baja.