Tenga en cuenta:
Este artículo está dirigido a lectores que buscan una explicación de ingeniería más profunda sobre la aparamenta de media tensión de alta corriente.
Nivel: Avanzado
Este artículo asume que 7,2 kV es la tensión nominal de la aparamenta. Si 7,2 kV es la tensión nominal real del sistema, la clase de tensión del equipo y el nivel de aislamiento requeridos deben confirmarse por separado.
Una tensión nominal de 7,2 kV no es inusual.
Una corriente nominal de 6300 A es técnicamente alcanzable.
Una corriente de cortocircuito nominal de 63 kA también es alcanzable.
Sin embargo, combinar las tres características nominales en un solo sistema de aparamenta crea un problema de ingeniería excepcionalmente difícil.
La razón no es simplemente que los números sean grandes. La verdadera dificultad es que la solución para un requisito a menudo dificulta otro requisito.
¿Qué significan los cuatro valores?
| Valor | Lo que afecta principalmente |
|---|---|
| 6300 A | Calentamiento continuo, tamaño del conductor y diseño de los contactos |
| 7,2 kV | Aislamiento, distancia de aislamiento eléctrica y tensión de interrupción |
| 63 kA | Fuerzas de cortocircuito, soportabilidad a corto tiempo y capacidad del interruptor automático |
| 78,6 MVA | Escala del sistema, importancia y consecuencias de un fallo |
La principal dificultad estructural proviene de combinar componentes conductores de corriente de 6300 A, requisitos de aislamiento de 7,2 kV y resistencia a cortocircuitos de 63 kA dentro de la misma aparamenta.
¿Por qué la combinación es tan difícil?
La aparamenta debe ser:
- Lo suficientemente grande para soportar 6300 A
- Lo suficientemente abierta para disipar el calor
- Lo suficientemente separada para soportar 7,2 kV
- Lo suficientemente rígida para soportar 63 kA
- Lo suficientemente flexible para acomodar la expansión térmica
- Lo suficientemente rápida para interrumpir un fallo
- Lo suficientemente cerrada para controlar un arco interno
Estos requisitos entran en conflicto entre sí.
Por eso, un panel normal de 3150 A o 4000 A no puede simplemente convertirse en un panel de 6300 A instalando embarrados más grandes.
Conflicto 1: Conductores grandes, espacio de aislamiento y resistencia mecánica
La alta corriente quiere llenar la aparamenta con cobre, mientras que la media tensión requiere un espacio de aislamiento vacío alrededor de ese cobre.
Para soportar 6300 A, la aparamenta necesita componentes conductores de corriente grandes, incluyendo:
- Múltiples embarrados en paralelo
- Terminales de interruptor automático grandes
- Más contactos de dedo
- Transformadores de corriente grandes
- Conexiones de entrada y salida grandes
Al mismo tiempo, el equipo de 7,2 kV debe mantener una distancia suficiente entre:
- Fase y fase
- Fase y tierra
- Embarrados y particiones metálicas
- Terminales del interruptor automático y la envolvente
- Conductores y superficies aislantes
Esto crea el primer conflicto fundamental: los conductores se hacen más grandes, pero no pueden simplemente empaquetarse muy juntos.
El fallo de 63 kA requiere un soporte más fuerte
El requisito de cortocircuito de 63 kA dificulta aún más la disposición.
Durante un fallo, los embarrados están expuestos a enormes fuerzas electromagnéticas. Un fallo RMS de 63 kA puede producir un primer pico de corriente superior a 150 kA.
Usando un factor de pico típico de 2,5:
63 kA × 2,5 = 157,5 kA de pico
Esta corriente instantánea puede:
- Separar fases
- Unir embarrados paralelos
- Doblar conductores
- Agrietar aisladores
- Torcer terminales de interruptor automático
- Dañar uniones
- Mover la estructura del interruptor automático
Por lo tanto, los embarrados necesitan soportes fuertes y muy espaciados.
Los embarrados deben poder expandirse
Los embarrados se expanden al calentarse durante el funcionamiento normal. Por lo tanto, el sistema puede necesitar:
- Conexiones de cobre flexibles
- Juntas de expansión
- Soportes deslizantes
- Movimiento controlado
La estructura debe permitir una expansión térmica lenta mientras permanece rígida durante un cortocircuito.
Los soportes adicionales mejoran la resistencia a fallos, pero también:
- Ocupan un valioso espacio en el compartimento
- Añaden más superficies aislantes
- Restringen el movimiento térmico
- Dificultan la inspección y el montaje
Aumentar el espaciado de fase puede mejorar el aislamiento y reducir la fuerza electromagnética, pero también hace que la aparamenta sea:
- Más ancha
- Más profunda
- Más pesada
- Más cara
- Más difícil de transportar
- Más difícil de instalar en una sala de aparamenta existente
Por lo tanto, el diseñador debe equilibrar:
- Tamaño de conductor
- Distancia de aislamiento
- Espaciado de fase
- Espaciado de soportes de embarrado
- Expansión térmica
- Acceso para mantenimiento
- Dimensiones generales del armario
En algún momento, el equipo puede dejar de parecerse a la aparamenta blindada convencional y empezar a parecerse más a la aparamenta de generador o a un sistema de embarrado de central eléctrica.
Conflicto 2: Disipación de calor frente a protección de la envolvente
Una vez que los conductores, contactos y soportes se han instalado en la aparamenta, el siguiente problema es eliminar el calor que producen.
A 6300 A, incluso una resistencia muy pequeña puede generar un calor sustancial.
La pérdida eléctrica en un conductor o conexión sigue esta relación:
Pérdida de potencia = Corriente × Corriente × Resistencia
Supongamos que una unión tiene una resistencia de solo 10 micro-ohmios, o 0,00001 ohmios.
El calor generado en esa unión sería:
6300 × 6300 × 0,00001 = 397 W
Esto significa que una conexión con una resistencia extremadamente baja aún puede producir casi 400 W de calor de forma continua.
El circuito primario completo contiene muchas posibles fuentes de calor:
Para una refrigeración eficaz, el diseñador puede querer:
Sin embargo, la protección contra arco interno requiere una envolvente controlada y resistente a la presión.
La aparamenta debe:
- Soportar la presión interna
- Mantener puertas y cubiertas cerradas
- Evitar que las llamas escapen hacia el personal
- Controlar el movimiento de gases calientes
- Dirigir la presión a través de una vía de escape segura
Esto crea el segundo conflicto fundamental:
La alta corriente requiere un flujo de aire eficaz, mientras que la protección contra arco interno requiere compartimentos controlados y resistentes a la presión.
Un alto grado de protección IP dificulta el problema. Una envolvente herméticamente sellada proporciona una mejor protección contra el polvo y el agua, pero también atrapa el calor y restringe el flujo de aire.
Por lo tanto, el fabricante debe equilibrar:
- Aumento de temperatura
- Flujo de aire
- Seguridad contra arco interno
- Protección ambiental
- Fiabilidad del ventilador
- Acceso para mantenimiento
La refrigeración no es simplemente una cuestión de añadir ventiladores. La envolvente, la vía de ventilación y el sistema de alivio de presión deben diseñarse conjuntamente.
Conflicto 3: Más embarrados paralelos frente a reparto desigual de corriente
Una barra de cobre extremadamente gruesa no siempre es la mejor manera de transportar 6300 A.
Los sistemas de alta corriente normalmente utilizan varios conductores paralelos para cada fase.
Por ejemplo, si cuatro embarrados comparten la corriente por igual:
6300 A ÷ 4 = 1575 A por embarrado
Sin embargo, la corriente puede no dividirse por igual en la práctica.
El reparto de corriente se ve afectado por:
- Diferentes longitudes de conductor
- Resistencia de unión desigual
- Efecto pelicular
- Efecto de proximidad
- Posición del embarrado
- Campos magnéticos de fases cercanas
- Refrigeración desigual
- Diferente presión de contacto
Un conductor puede transportar más corriente que los otros y convertirse en un punto caliente local.
Añadir más cobre reduce la resistencia básica, pero también complica la distribución de corriente alterna y el comportamiento electromagnético.
Por lo tanto, el diseño debe considerar la disposición completa del embarrado trifásico, no solo el área de la sección transversal total de cobre.
Conflicto 4: Baja resistencia de contacto frente a construcción extraíble
Una conexión atornillada fija puede hacerse grande, fuerte y altamente conductiva.
Un interruptor automático extraíble es mucho más difícil.
Sus contactos primarios deben ser:
- Móviles
- Alineados con precisión
- De baja resistencia
- Mecánicamente duraderos
- Correctamente aislados
- Capaces de transportar 6300 A de forma continua
- Capaces de soportar el pico de cortocircuito
El diseñador puede añadir más contactos de dedo y aumentar su presión para reducir la resistencia.
Pero esto crea:
- Mayor fuerza de inserción
- Un carro de interruptor automático más pesado
- Mayor desgaste mecánico
- Mayor sensibilidad a la alineación
- Mantenimiento más difícil
- Mayor riesgo de reparto desigual de corriente
Si algunos contactos de dedo pierden presión, los contactos restantes pueden transportar una corriente excesiva y sobrecalentarse.
Por esta razón, un interruptor automático de montaje fijo con seccionadores separados puede ser más práctico que un VCB extraíble convencional.
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El interruptor automático puede ser el verdadero cuello de botella
Se pueden fabricar embarrados de cobre grandes.
La pregunta más difícil es si el interruptor automático puede:
- Transportar 6300 A de forma continua
- Permanecer estable durante el primer pico de corriente de fallo
- Abrirse rápidamente cuando actúa la protección
- Interrumpir 63 kA de forma segura
- Soportar la tensión que se recupera a través de los contactos abiertos
- Mantener el nivel de aislamiento requerido de 7,2 kV
El interruptor automático requiere baja resistencia y alta presión de contacto durante el funcionamiento normal.
Durante un fallo, también debe abrirse rápidamente e interrumpir una corriente extremadamente alta.
Por lo tanto, debe estar fuertemente cerrado, ser mecánicamente estable y capaz de una apertura rápida al mismo tiempo.
Un interruptor automático normal de 4000 A no puede convertirse en uno de 6300 A simplemente instalando terminales externos más grandes.
La trayectoria de corriente interna completa debe diseñarse y probarse para 6300 A.
Sobre la potencia
A 400 V y 6300 A, la potencia aparente trifásica es de aproximadamente 4,36 MVA:
1,732 × 0,4 kV × 6,3 kA = 4,36 MVA
A 7,2 kV y la misma corriente, la potencia aparente aumenta a aproximadamente 78,6 MVA:
1,732 × 7,2 kV × 6,3 kA = 78,6 MVA
Por lo tanto, el circuito de 7,2 kV transfiere aproximadamente 18 veces más potencia aparente.
La mayor potencia no calienta directamente más los conductores. Si la corriente y la resistencia del conductor son las mismas, las pérdidas resistivas también son similares.
Sin embargo, la clasificación de 78,6 MVA muestra la escala del sistema. Un circuito puede estar conectado a un gran generador, transformador, sistema de compresores o proceso industrial. Por lo tanto, un fallo o un disparo innecesario podría desconectar decenas de megavatios de carga.
Esto puede requerir:
- Protección de alta velocidad y fiable
- Protección diferencial y contra fallo de interruptor automático
- Monitorización continua de la temperatura
- Refrigeración fiable
- Conexiones de conducto de embarrado grandes
- Monitorización de estado más exhaustiva
Cómo la protección contra arco interno cambia la envolvente
La protección contra arco interno no es la razón original por la que la aparamenta necesita embarrados más grandes. Sin embargo, una vez diseñado el camino de corriente de 7,2 kV y 6300 A, la contención del arco crea otro requisito estructural importante.
Durante el funcionamiento normal, la aparamenta transporta hasta 6300 A. Si un fallo de aislamiento, una conexión suelta o un objeto extraño crea un fallo interno, la corriente puede aumentar hacia el nivel de cortocircuito disponible, en este caso, 63 kA.
Las tres características nominales contribuyen de manera diferente:
| Clasificación | Efecto durante un fallo interno |
|---|---|
| 6300 A | Requiere conductores, contactos, uniones y vías de refrigeración grandes |
| 7,2 kV | Permite que un arco permanezca establecido a través de un entrehierro |
| 63 kA | Determina la corriente de fallo disponible y la gravedad potencial del evento |
Un arco interno crea plasma de gas a aproximadamente 10 000 °C, con temperaturas locales que alcanzan hasta 20 000 °C cerca de la salida del arco. Estas son temperaturas de plasma locales, no la temperatura media dentro de la aparamenta completa. En la ubicación del arco, el metal y el aislamiento cercano pueden fundirse o vaporizarse casi inmediatamente.
El gas rápidamente calentado y el material vaporizado provocan un fuerte aumento de presión. Por lo tanto, la aparamenta puede requerir:
- Puertas y sistemas de bloqueo reforzados
- Particiones internas resistentes a la presión
- Aletas de alivio de presión
- Un pleno de escape superior
- Conductos de alivio de presión externos
- Un área de descarga controlada lejos del personal
También debe considerarse la sala eléctrica. Siemens señala que las salas de aparamenta de media tensión pueden requerir salidas o conductos de alivio de presión, y que la estructura del edificio puede necesitar soportar la presión generada por un arco interno.
Esto crea otro conflicto de diseño:
El camino de corriente de 6300 A requiere una refrigeración eficaz durante el funcionamiento normal, mientras que la protección contra arco interno requiere un flujo de aire controlado y resistente a la presión durante un fallo.
Por lo tanto, los sistemas de ventilación y alivio de presión deben diseñarse conjuntamente. Las aberturas de refrigeración normales no pueden simplemente permitir la liberación de llamas o gases calientes hacia el personal.
Un ejemplo de aparamenta resistente al arco de 63 kA
La cantidad de espacio de instalación adicional depende de la plataforma de aparamenta probada. No existe una regla universal que establezca que la construcción resistente al arco añade una altura o un porcentaje fijo a cada panel.
Como referencia, SafeGear HD de ABB es una plataforma de aparamenta resistente al arco de 5/15 kV y 63 kA específica que utiliza un pleno de alivio de presión superior. ABB especifica una distancia mínima de suelo a techo de aproximadamente 129,5 pulgadas, o 3,29 metros, para la disposición del pleno y el espacio libre de la caja de ventilación.
Esta cifra es solo un ejemplo de producto real. No debe tratarse como la altura de sala requerida para cada diseño de 7,2 kV y 6300 A.
Un sistema de 6300 A puede requerir una altura diferente de:
- Panel base
- Disposición de refrigeración
- Tamaño del pleno
- Sección transversal del conducto de escape
- Área de descarga segura
- Altura del techo de la sala de aparamenta
Las dimensiones exactas deben provenir de la disposición general probada del fabricante.
El punto importante es:
La protección contra arco interno puede añadir un espacio superior sustancial, conductos de escape, refuerzo estructural y requisitos de sala de aparamenta, pero la cantidad es específica del diseño del equipo probado.
Las conexiones pueden convertirse en otro problema importante
A 6300 A, las conexiones de cable de media tensión ordinarias pueden volverse poco prácticas.
El sistema puede requerir:
- Muchos cables paralelos por fase
- Conducto de embarrado de fase segregada
- Conducto de embarrado no segregado
- Conexión directa de barra de cobre
- Embarrado de fase aislada en aplicaciones de generador
El sistema de conexión también debe manejar:
- Reparto de corriente igual
- Expansión térmica
- Aislamiento de 7,2 kV
- Fuerza de fallo de 63 kA
- Alineación mecánica
- Soporte estructural
- Ventilación
La aparamenta no puede diseñarse por separado del generador, transformador o conducto de embarrado conectado a ella.
La trayectoria de corriente completa debe coordinarse como un solo sistema.
Alternativas más prácticas
Antes de seleccionar un embarrado de 6300 A, el diseñador del sistema debe considerar si la carga puede dividirse.
Dividir el sistema en secciones de embarrado de menor corriente
En lugar de utilizar un embarrado de 6300 A, el sistema puede dividirse en dos secciones de embarrado independientes.
Las posibles disposiciones incluyen:
- Dos secciones de embarrado de 3150/4000 A
- Entradas de transformador o generador separadas para cada sección
- Un acoplador de embarrado normalmente abierto entre las secciones
Esto permite que cada sección permanezca dentro de un rango de aparamenta de media tensión más establecido.
Una disposición de dos secciones puede proporcionar:
- Interruptores automáticos más ampliamente disponibles
- Control más fácil del aumento de temperatura
- Embarrados y conexiones más pequeños
- Mantenimiento más fácil
- Mejor redundancia
- Menor riesgo técnico y de pruebas
Sin embargo, las clasificaciones no deben simplemente sumarse.
Dos secciones de 3150 A no forman un embarrado de 6300 A a menos que sus salidas se combinen. Si se combinan a través de un acoplador de embarrado o una conexión común, esa parte del sistema aún puede necesitar transportar los 6300 A completos.
La solución práctica es normalmente dividir las cargas entre las dos secciones y mantener el acoplador de embarrado normalmente abierto. El acoplador puede cerrarse temporalmente para la transferencia de carga, siempre que la fuente restante y la sección de embarrado puedan transportar la carga transferida.
Distribuir la potencia a una tensión más alta
Para la misma potencia, aumentar la tensión reduce la corriente.
Por ejemplo, transmitir 78,6 MVA a 11 kV requeriría aproximadamente 4130 A.
El cálculo es:
78,6 MVA ÷ 1,732 ÷ 11 kV = aproximadamente 4,13 kA
A 22 kV, la misma potencia requeriría aproximadamente 2060 A.
El cálculo es:
78,6 MVA ÷ 1,732 ÷ 22 kV = aproximadamente 2,06 kA
Aumentar la tensión de distribución puede simplificar en gran medida:
- Barras colectoras
- Interruptores
- Conexiones
- Refrigeración
- Soportes mecánicos
Sin embargo, también aumenta el nivel de aislamiento requerido.
Utilizar un sistema de interruptor automático de generador
Si el circuito está conectado directamente a un gran generador, el equipo de generador dedicado puede ser más apropiado que modificar la aparamenta de distribución convencional.
Los interruptores automáticos de generador están diseñados específicamente para:
- Corriente continua muy alta
- Corriente de cortocircuito alta
- Servicio de interrupción severo
- Comportamiento de fallo de fuente de generador
- Conexiones de conducto de embarrado grandes
¿Busca aparamenta trifásica y cuadros de distribución probados en fábrica para su proyecto?
Conclusión
Un sistema de aparamenta de 7,2 kV, 6300 A y 63 kA es difícil porque los requisitos se contradicen entre sí.
- 6300 A requiere más cobre y más refrigeración.
- 7,2 kV requiere más espacio de aislamiento.
- 63 kA requiere soportes más fuertes y rígidos.
- La expansión térmica requiere flexibilidad controlada.
- La seguridad contra arco interno requiere una envolvente fuerte y con gestión de presión.
- El funcionamiento del interruptor automático requiere tanto alta presión de contacto como apertura rápida.
El desafío central no es simplemente construir un armario más grande.
Es crear un sistema que sea simultáneamente:
Eléctricamente aislado, térmicamente estable, mecánicamente fuerte, operacionalmente rápido y seguro durante un fallo interno.
Por eso esta combinación normalmente pertenece a equipos especializados de generador o de industria pesada, en lugar de a la aparamenta de media tensión convencional.
Preguntas frecuentes
¿Es imposible fabricar aparamenta de 7,2 kV y 6300 A?
No. Es técnicamente factible, pero normalmente requiere equipos especializados de clase generador o de alta corriente personalizados, en lugar de aparamenta de MT convencional.
¿Por qué 6300 A es más fácil a baja tensión?
La aparamenta de baja tensión requiere distancias de aislamiento mucho más pequeñas. Por lo tanto, los embarrados, interruptores automáticos y contactos paralelos grandes pueden instalarse más cerca entre sí.
¿Pueden los embarrados de cobre más grandes resolver el problema?
No. Los embarrados más grandes pueden reducir el calentamiento, pero no resuelven la capacidad del interruptor automático, la distancia de aislamiento, la resistencia de contacto, la refrigeración, el tamaño del transformador de corriente o las fuerzas de fallo de 63 kA.
¿Qué afecta la clasificación de 63 kA?
Afecta la capacidad de fallo del interruptor automático y la resistencia mecánica requerida para embarrados, soportes, terminales y la envolvente.
¿Es la protección contra arco interno la principal dificultad?
Es un requisito importante de seguridad del personal, pero el principal desafío estructural es combinar conductores de 6300 A, distancias de aislamiento de 7,2 kV y resistencia a cortocircuitos de 63 kA.
¿Es dividir el embarrado una alternativa práctica?
Sí. Dividir las cargas entre dos secciones de embarrado de menor corriente puede permitir el uso de plataformas de aparamenta más establecidas. Sin embargo, cualquier conexión común debe seguir estando clasificada para la corriente que realmente transporta.
Referencia:
https://library.e.abb.com/public/c379d6ff07f045eca0d55e4616d080fc/1VAL108001-TG_RevD_SafeGearHD-techguide_DIGITAL.pdf?x-sign=Uh%2BO2i6Dp%2BHKyRv5%2BauCw0CnChCsbvywF6%2Flmqwb2NXE9RS3Le0yF9lKYaDOXROt
https://support.industry.siemens.com/cs/document/109972296/air-insulated-medium-voltage-switchgear-type-nxair-50-ka?dti=0&lc=en-GB
