¿Cómo funciona una aparamenta aislada en gas (GIS)?

Introducción: la caja de metal que controla miles de voltios

Ingrese a cualquier subestación moderna, plataforma colectora de un parque eólico o al sótano de un rascacielos de la ciudad y encontrará una hilera de gabinetes metálicos sencillos que realizan silenciosamente uno de los trabajos más peligrosos en el mundo eléctrico. Estos sonaparamenta aislada en gaspaneles—oSIG—Y están diseñados para contener, controlar y extinguir arcos eléctricos que, de otro modo, vaporizarían el metal y pondrían en peligro a cualquiera que se encuentre cerca.

Para un ingeniero eléctrico, entender cómo funciona un SIG no es un ejercicio académico. Determina cómo se distribuye una subestación, cómo se programa el mantenimiento y si el equipo seguirá funcionando de manera confiable treinta años después de su puesta en servicio. Para un profesional de adquisiciones, aclara por qué un panel cuesta más que otro y qué compra esa inversión adicional en términos de seguridad, huella y costo del ciclo de vida.

Este artículo explica, componente por componente, cómo funciona un tablero aislado en gas: desde el tanque de gas sellado que mantiene separados los conductores de alto voltaje, hasta el interruptor de vacío que interrumpe el circuito y los enclavamientos mecánicos que evitan que un error peligroso se convierta en una fatalidad.

¿Qué es exactamente una aparamenta aislada en gas?

Una celda aislada en gas es una celda encerrada en metal donde el primariocomponentes de media tension(barras colectoras, disyuntores, seccionadores, seccionadores de puesta a tierra y transformadores de instrumentos) están alojados dentro de un compartimento sellado lleno de gas. El gas actúa como medio aislante entre las partes vivas y entre las partes vivas y la tierra.

Las aparamentas tradicionales aisladas en aire se basan en la distancia física: los conductores están lo suficientemente espaciados como para que el aire circundante pueda soportar la tensión de voltaje sin fallar. Las aparamentas aisladas en gas reemplazan esa distancia física con un gas presurizado que tiene una rigidez dieléctrica mucho mayor que el aire. Esto permite que todo el conjunto se reduzca drásticamente; en algunos casos, un GIS ocupa menos de una cuarta parte del área de piso de una instalación equivalente con aislamiento de aire.

El tanque de gas en sí suele estar hecho de acero inoxidable o aleación de aluminio, soldado y sellado para evitar fugas de gas durante la vida útil del equipo. En el interior, la atmósfera está controlada y monitorizada. Los diseños modernos utilizan cada vez más aire seco o nitrógeno en lugar de SF₆, una respuesta a las regulaciones que están remodelando la industria.

Cómo se construye un panel SIG: la arquitectura interna

Aunque un GIS aparece desde el exterior como un único gabinete metálico, internamente está dividido en varios compartimentos funcionales, cada uno de ellos aislado de los demás mediante barreras o casquillos estancos al gas. Comprender estos compartimentos explica cómo el equipo logra flexibilidad operativa y seguridad.

1. El compartimiento de la barra colectora

La barra colectora es la columna vertebral de cualquier conjunto de aparamenta. En un GIS, las barras colectoras pasan horizontalmente a través de un compartimento de gas dedicado en la parte superior o trasera del panel. Debido a que la barra colectora conecta paneles adyacentes entre sí, los compartimentos de barras colectoras de múltiples paneles a menudo están conectados mediante casquillos herméticos al gas, formando una zona de gas continua en todo el tablero de distribución.

Las barras colectoras transportan toda la corriente nominal de la instalación (a menudo 1250 A, 2000 A o más) y deben hacerlo sin exceder los límites de temperatura que degradarían el aislamiento o acelerarían la oxidación de los contactos. En un GIS, el gas circundante ayuda a conducir el calor lejos de los conductores de la barra colectora, lo que permite clasificaciones de corriente más altas en una sección transversal más pequeña de lo que permitiría el aislamiento de aire.

2. El compartimiento del disyuntor

Si la barra colectora es la columna vertebral, el disyuntor es el músculo. Es el dispositivo el que debe interrumpir el circuito cuando ocurre una falla, y las exigencias que se le imponen son extremas. Es posible que se requiera un disyuntor de voltaje medio para interrumpir 25.000 amperios o más, extinguiendo un arco que alcanza temperaturas comparables a las de la superficie del sol, todo en unos pocos milisegundos.

En los diseños GIS modernos, la función de disyuntor la realiza casi universalmente un interruptor de vacío. El interruptor de vacío es una botella de cerámica sellada con un par de contactos en su interior: uno fijo y otro móvil. Cuando los contactos se separan, el arco que se forma se dibuja en un vacío casi perfecto. Debido a que prácticamente no hay gas para ionizar, el arco se extingue en el primer cruce por cero de la corriente. El gas circundante en el tanque GIS proporciona el aislamiento dieléctrico entre el interruptor y la pared del tanque, pero no desempeña ningún papel en la extinción del arco.

Los paneles GIS de COTENELE utilizan disyuntores de vacío con capacidad de hasta 25 kA o 31,5 kA, con una resistencia mecánica de 10.000 operaciones. El interruptor en vacío no requiere mantenimiento de por vida: ni aceite, ni gas, ni nada que reponer.

3. El compartimiento del seccionador y del interruptor de puesta a tierra

Un disyuntor puede interrumpir la corriente, pero no puede proporcionar una brecha de aislamiento visible en la que el personal de mantenimiento pueda confiar sus vidas. Esa función pertenece a ladesconectador(también llamado aislador). El seccionador no tiene capacidad de extinción de arco; solo se puede operar después de que el disyuntor ya haya interrumpido la corriente. Su trabajo es crear una brecha física de aire o gas que sea visible, mecánica y eléctricamente segura.

Los seccionadores de tierra realizan la función contraria: conectan deliberadamente los conductores aislados a tierra, descargando cualquier tensión residual capacitiva o inducida. Este es el paso que hace que el equipo sea seguro al tacto.

En un GIS, el seccionador y el seccionador de tierra están integrados en un único interruptor de tres posiciones en muchos diseños. Una posición está "cerrada" (conectada a la barra colectora), otra está "abierta" (aislada) y la otra está "puesta a tierra". Este diseño de tres posiciones simplifica los enclavamientos mecánicos y reduce la cantidad de sellos de gas necesarios.

4. Transformadores de instrumentos y compartimento de cables

NoSIGEstá completo sin medida. Los transformadores de corriente (CT) y los transformadores de voltaje (VT) proporcionan las señales que los relés de protección, los medidores y los sistemas SCADA necesitan para monitorear y controlar el sistema de energía. En un GIS, los CT suelen ser núcleos toroidales montados alrededor del casquillo donde el disyuntor se conecta al compartimiento de cables. Los TT pueden ser inductivos o capacitivos, conectados al lado de la barra o del alimentador dependiendo del esquema de protección y medición.

El compartimiento de cables es donde los cables externos de alto voltaje ingresan al panel y se conectan a los conductores internos. En un GIS libre de SF₆ que utiliza aire seco, el compartimento de cables forma parte del mismo volumen de gas sellado que el cuadro, o está separado por un casquillo estanco al gas, según el diseño. Las terminaciones de cables suelen ser de tipo enchufable y utilizan conectores elastoméricos que proporcionan una interfaz completamente aislada y blindada entre el cable y el tablero.

5. El compartimiento de control de bajo voltaje

Detrás de la puerta del panel frontal se encuentra la inteligencia del GIS: relés de protección, interruptores de control, bloques de terminales, contactores auxiliares y puertas de enlace de comunicación. Este compartimento está a potencial de tierra y está aislado de los compartimentos de gas de alto voltaje mediante casquillos sellados. Todo el cableado secundario (para disparo, cierre, indicación y comunicación) se encamina aquí.

La calidad de la mano de obra en el compartimento de bajo voltaje es un indicador confiable de la calidad general del fabricante. El cableado cuidadosamente tendido, los terminales claramente etiquetados y los relés de protección configurados correctamente sugieren que se ha tenido un cuidado similar en las partes del panel que el cliente no puede inspeccionar fácilmente.

La física del aislamiento de gas ¿Por qué utilizar gas?

 La respuesta está en una propiedad fundamental de la materia: la rigidez dieléctrica.

Cada material aislante (aire, aceite, epoxi sólido o gas) tiene un límite en el campo eléctrico que puede soportar antes de descomponerse y conducir. Para el aire a presión atmosférica, ese límite es de aproximadamente 3 kV por milímetro. Para el SF₆, a una presión modesta, es aproximadamente tres veces mayor. Esto significa que los conductores dentro de un tanque lleno de SF₆ se pueden colocar mucho más juntos que en el aire, sin riesgo de descarga eléctrica. Como resultado, todo el panel de distribución se encoge.

El mecanismo es molecular. El SF₆ es un gas electronegativo: sus moléculas capturan fácilmente electrones libres, formando iones negativos pesados ​​que se mueven lentamente en un campo eléctrico y no son capaces de sostener una avalancha de electrones. Esta propiedad le da al SF₆ su alta rigidez dieléctrica y su excelente capacidad de extinción de arco.

El aire seco y el nitrógeno funcionan según un principio más sencillo. Su rigidez dieléctrica es menor que la del SF₆ a la misma presión, pero es suficiente para aplicaciones de media tensión cuando la geometría del tanque se diseña con espacios libres adecuados. La compensación es un volumen de tanque ligeramente mayor para el mismo voltaje nominal, un compromiso de ingeniería que la mayoría de los fabricantes y usuarios ahora aceptan como el precio de eliminar el potencial de calentamiento global del SF₆ de 23.500 veces el del CO₂.

Cómo funcionan los enclavamientos

Una de las características definitorias de un SIG es su sistema de enclavamiento mecánico, a menudo llamado enclavamiento de “cinco prevenciones”. Estos enclavamientos son puramente mecánicos: no dependen de energía eléctrica, software o memoria humana.

La lógica es simple pero implacable:

1.El disyuntor no se puede cerrar a menos que el seccionador esté completamente abierto o completamente cerrado.

2. El seccionador no se puede operar mientras el disyuntor esté cerrado.

3. El seccionador de tierra no se puede cerrar mientras el circuito esté energizado.

4. El disyuntor no se puede cerrar mientras el seccionador de tierra esté activado.

5.La puerta del compartimento de cables no se puede abrir a menos que el seccionador de tierra esté cerrado.

Estas reglas se hacen cumplir mediante levas, palancas y pernos deslizantes que bloquean físicamente las manijas de operación o el pestillo de la puerta cuando no se cumplen las condiciones. Para un operador que se encuentra frente al panel, esto significa que una secuencia de acciones inseguras no sólo está prohibida, sino que es mecánicamente imposible.

SIG sin SF₆: mismo principio, gas más seguro

El principio de funcionamiento de un SIG sin SF₆ es idéntico al de un SIG con SF₆ convencional. Los mismos compartimentos, el mismo interruptor en vacío, el mismo seccionador y seccionador de tierra, los mismos enclavamientos. Lo único que cambia es el gas dentro del tanque sellado.

El GIS de media tensión de COTENELE utiliza aire seco como medio aislante. El gas se purifica, deshumidifica y sella dentro de un tanque de acero inoxidable en la fábrica. El tanque se prueba para detectar fugas y luego se deja sellado durante toda su vida útil de diseño de 30 años. No hay un manómetro que pueda leer el operador, ni un puerto de recarga ni un procedimiento de mantenimiento relacionado con el gas que deba seguir. El sistema de gas es, desde la perspectiva del usuario, invisible.

Este enfoque tiene tres ventajas prácticas para el usuario final:

• Cumplimiento ambiental.Sin SF₆ significa que no hay obligación de informar sobre gases fluorados, ni programa de detección de fugas ni recuperación de gas al final de su vida útil. El equipo cumple con el Reglamento de gases fluorados de la UE sin excepciones ni soluciones alternativas.
• Mantenimiento simplificado.Un técnico de mantenimiento que abre la puerta del panel se encuentra con el mismo disyuntor en vacío, el mismo mecanismo seccionador y los mismos relés de protección que en cualquier otro SIG moderno. No hay ningún equipo de manipulación de gas que entender.
• Inversión preparada para el futuro.A medida que las restricciones al SF₆ se endurecen a nivel mundial, los equipos que no contienen SF₆ no enfrentarán restricciones de servicio cada vez más estrictas, costos crecientes del gas ni requisitos de modernización obligatorios.

Dónde se utiliza el SIG

La tecnología GIS se implementa dondequiera que el espacio sea limitado, la confiabilidad sea crítica o las condiciones ambientales hagan que los equipos aislados en aire no sean prácticos:

• Subestaciones urbanas donde los costos inmobiliarios hacen que los equipos compactos sean una necesidad financiera.
• Subestaciones colectoras de parques eólicos donde los equipos de conmutación deben funcionar de manera confiable en entornos remotos, a veces hostiles, con acceso limitado para mantenimiento.
• Los centros de datos donde las garantías de tiempo de actividad y los compromisos ESG exigen equipos libres de SF₆ y de bajo mantenimiento.
• Plantas industriales con atmósferas corrosivas, altos niveles de polvo o alta humedad que degradarían los conductores expuestos aislados en aire.
• Infraestructuras como aeropuertos, metros y túneles, donde la seguridad contra incendios y la compacidad no son negociables.

Preguntas frecuentes

P: ¿Se puede reparar un GIS si hay una fuga de gas?

R: Para un GIS de aire seco sellado de por vida, el tanque está soldado y probado en fábrica y no está diseñado para abrirse en el sitio. Si el tanque alguna vez se ve comprometido, generalmente se reemplaza todo el panel. Esta es la razón por la que las pruebas de integridad del tanque durante la fabricación son fundamentales. Sin embargo, las fugas de gas de un tanque sellado adecuadamente fabricado son extremadamente raras durante la vida útil del equipo.

P: ¿Cómo sabes que el interruptor en vacío sigue funcionando?

R: La integridad del vacío se verifica durante las pruebas de rutina de fábrica mediante una prueba de alto potencial en los contactos abiertos. En servicio, los interruptores en vacío no requieren mantenimiento y no se degradan con el tiempo. El único mecanismo de desgaste es la erosión de los contactos durante la interrupción de la falla, que se tiene en cuenta en la resistencia eléctrica nominal del interruptor.

P: ¿El SIG de aire seco es físicamente más grande que el SIG SF₆?

R: En niveles de media tensión de hasta 40,5 kV, la diferencia de tamaño es mínima y se ajusta a las dimensiones estándar del panel. Los fabricantes han optimizado las geometrías de los tanques a lo largo de años de desarrollo para minimizar la huella de los diseños de aire seco.

P: ¿Qué estándares se aplican a los SIG?

R: El GIS con carcasa metálica está probado según IEC 62271-200. El disyuntor interior está probado según IEC 62271-100. La clasificación de arco interno (IAC) se prueba según IEC 62271-200 anexo A. COTENELE proporciona certificados de prueba de tipo completos de laboratorios independientes acreditados por IEC con cada cotización.

Conclusión: dominio de los conceptos básicos

Una aparamenta aislada en gas funciona sellando conductores de alto voltaje en una atmósfera de gas que los aísla entre sí y de la tierra, lo que permite que todo el conjunto sea mucho más pequeño que su equivalente aislado en aire. Dentro de ese entorno sellado, los interruptores de vacío interrumpen el circuito, los seccionadores proporcionan un aislamiento visible, los seccionadores de tierra hacen que el equipo sea seguro al tacto y una red de enclavamientos mecánicos garantiza que estas operaciones solo se puedan realizar en la secuencia correcta.

La transición del SF₆ al aire seco no ha cambiado esta arquitectura fundamental. Simplemente ha reemplazado el gas por uno que no conlleva una responsabilidad ambiental milenaria. Para ingenieros y compradores, comprender cómo funciona un GIS es la base para especificar el equipo correcto, verificar las afirmaciones del fabricante y garantizar que el tablero instalado hoy seguirá protegiendo la red dentro de tres décadas.

COTENELE fabrica aparamenta aislada en gas libre de SF₆ utilizando aislamiento de aire seco e interrupción por vacío, probada según IEC 62271-200. Nuestro equipo de ingeniería proporciona paquetes de documentación completos, incluidos certificados de prueba de tipo e informes de pruebas de rutina, en la etapa de licitación, lo que permite a nuestros clientes especificar con confianza. ¿Busca GIS sin SF₆ para su próximo proyecto? COTENELE suministra aparamenta aislada en gas sin SF₆ de 12 kV a 40,5 kV, unidades principales de anillo e interruptores de vacío para servicios públicos, energía renovable, centros de datos y aplicaciones industriales.

COTENELEes un fabricante especializado de aparamenta de media tensión, que incluye aparamenta aislada en gas libre de SF₆, disyuntores en vacío, unidades principales en anillo y paneles revestidos de metal para aplicaciones de 12 kV a 40,5 kV. Nuestros productos sirven a empresas de servicios públicos, operadores de centros de datos, desarrolladores de energía renovable y compradores industriales en Europa, Asia y Medio Oriente.