Un interruptor de vacío (VCB) es un dispositivo de conmutación AC que conduce corriente mientras está cerrado, conecta y desconecta circuitos cuando se le ordena, e interrumpe la corriente de fallo dentro de los valores nominales y las condiciones que se le han asignado. La interrupción en sí tiene lugar en el interior de interruptores de vacío sellados, donde los contactos se separan, se forma un arco entre ellos y dicho arco se extingue para que el espacio entre los contactos pueda recuperar su rigidez dieléctrica. Todo lo que rodea a los interruptores —el aislamiento de los polos, los terminales primarios, el mecanismo de accionamiento, el bastidor y las interfaces de control— existe para conectarlos al circuito primario, accionar sus contactos y vincular el interruptor con aquello que le envía las órdenes.
Un interruptor de vacío tiene dos funciones habituales y una función de emergencia. En condiciones normales de funcionamiento, conduce la corriente de carga del circuito al que pertenece y conecta y desconecta dicho circuito cuando la red o el proceso lo requieren: para alimentar un ramal, transferir una carga o desconectar un equipo antes de su mantenimiento. Su función de emergencia es la interrupción de fallos: interrumpir una corriente de fallo dentro de los valores nominales y las condiciones asignadas al interruptor.
Ambas aplicaciones pasan por los mismos contactos, y por eso un interruptor se describe mediante un conjunto de características en lugar de un único valor. La conducción continua de corriente, el cierre, la apertura y la resistencia a cargas de corta duración son requisitos distintos, y un dispositivo que cumpla uno de ellos no tiene por qué ser automáticamente adecuado para los demás. Esos campos de características se analizan por separado en el artículo dedicado a Parámetros nominales de los dispositivos de conmutación de media tensión; el objetivo aquí es explicar el objeto físico que debe cumplir dichos requisitos.
La palabra «vacío» en el nombre identifica el medio en el que se interrumpe el arco. No describe el aislamiento exterior al interruptor, la carcasa que rodea al interruptor, la forma en que está montado este ni los equipos de detección y protección que determinan cuándo existe una falla. Se trata de elementos independientes, que se eligen por separado, y dos dispositivos que se comercializan como interruptores de vacío pueden diferir en todos ellos. Conviene distinguir tres niveles:
La interrupción eléctrica tiene lugar en el interior del interruptor. El interruptor completo proporciona el movimiento de los contactos, las conexiones y las interfaces, mientras que la instalación proporciona los dispositivos de control, protección y acceso necesarios.
Un interruptor de vacío interior completo suele dividirse en tres grupos visibles. En la parte trasera se encuentran los conjuntos de polos, cada uno de los cuales alberga un interruptor sellado dentro de su propio aislamiento. En la parte delantera se encuentra el mecanismo de accionamiento, detrás de una carcasa que también alberga las interfaces de control e indicación. Entre ellos y a su alrededor se encuentra el bastidor o chasis, que proporciona los puntos de montaje y, en las versiones extraíbles, el sistema de desplazamiento que permite introducir y extraer el interruptor completo del cuadro.
En el interior de cada polo, el interruptor consiste en una envoltura sellada, en lugar de un entrehierro convencional. Uno de los contactos es fijo y el otro se mueve, y cada uno de ellos va montado en un vástago que atraviesa la pared de la envoltura. El vástago fijo está unido de forma permanente a la placa terminal y hace las veces de terminal. El lado móvil plantea un problema más complejo, ya que el vástago tiene que deslizarse hacia dentro y hacia fuera mientras el interior permanece sellado. Un fuelle metálico envuelto alrededor del vástago móvil resuelve este problema: a medida que el vástago se desplaza, el fuelle se flexiona y el vacío permanece intacto. Los aislantes cerámicos forman el cuerpo principal de la envoltura, las placas metálicas de los extremos la cierran y los protectores metálicos interceptan los productos del arco eléctrico para que la cerámica no se recubra de vapor metálico conductor.
Conviene distinguir dos relaciones dentro del poste, ya que suelen confundirse en las descripciones coloquiales de los interruptores.
La primera es la trayectoria de la corriente. En el interruptor de interior VS1-12, cuyo manual de instalación se ha utilizado como ejemplo práctico en este caso, la trayectoria del contacto cerrado va desde la conexión del terminal superior, pasando por el contacto fijo, luego por el contacto móvil, a continuación por una abrazadera conductora y una conexión flexible, y sale por la conexión del terminal inferior. La conexión flexible existe precisamente porque el lado móvil se desplaza, y un conductor rígido no podría seguirlo. La varilla aislante que acciona el contacto móvil no forma parte deliberadamente de ese recorrido; transmite el movimiento, y su material aislante es lo que permite que el mecanismo se sitúe a un potencial diferente al del contacto bajo tensión.
La segunda es la trayectoria de movimiento, que va desde el mecanismo de almacenamiento de energía, pasando por el eje de transmisión, el sistema de varillaje y la varilla aislante, hasta el vástago del contacto móvil. Esto se tratará más adelante, ya que ambas trayectorias convergen en el conjunto del contacto móvil, aunque cumplen funciones eléctricas y mecánicas diferentes.
Fuera del envoltorio sellado, la construcción de los polos difiere entre las distintas familias de manera que afecta al aislamiento externo, la integración mecánica y el ajuste, mientras que la interrupción de la corriente se mantiene dentro de la cámara de vacío. Una de las configuraciones monta el interruptor longitudinalmente dentro de un cilindro aislante tubular, donde el aire circundante completa el aislamiento externo del polo. Otra consiste en incrustar el interruptor en material aislante sólido, de modo que el poste moldeado aloja el interruptor y proporciona además los terminales externos, la conexión flexible, el resorte de presión de contacto y la interfaz con el mecanismo. Ambas contienen el mismo tipo de interruptor sellado. Se trata de disposiciones externas diferentes, más que de una jerarquía, y sus dimensiones, posiciones de los terminales e interfaces de montaje no son compatibles entre sí.
El nombre «interruptor de vacío» puede generar una falsa expectativa: que, al no haber aire en su interior, no se pueda formar ningún arco y la corriente simplemente se interrumpa cuando los contactos se separan. La realidad se acerca más a lo contrario. Cuando los contactos que conducen corriente se separan, los últimos puntos de contacto se calientan intensamente, el metal de los contactos se vaporiza y ese vapor se convierte en el medio conductor del arco. El arco arde en el vapor metálico liberado por los propios contactos, no en el aire ni en un gas suministrado. El vacío es un entorno excelente para extinguir rápidamente ese tipo de arco; no es un entorno en el que sea imposible que se produzca un arco eléctrico.
Por eso mismo, la separación mecánica no es lo mismo que la interrupción eléctrica. Es posible que el mecanismo haya completado su recorrido y que los contactos estén físicamente separados, mientras que la corriente siga circulando por el arco que se forma entre ellos. Hasta que el arco no se haya extinguido, el circuito no se habrá interrumpido.
En la corriente alterna, el punto natural de salida es el cero de corriente. Dos veces por ciclo, la corriente pasa por cero y, en ese instante, la energía disponible para la columna de arco se colapsa. Cerca de cero, el arco ya no puede mantenerse: el plasma pierde su vía de conducción, el arco se apaga y el vapor metálico que lo transportaba se condensa en las superficies de contacto, los protectores y las partes más frías de la cámara. Una vez desaparecido el vapor, se recupera la rigidez dieléctrica del espacio entre los dos contactos. La cámara permanece sellada en todo momento; no se vuelve a evacuar tras cada operación.
La recuperación es lo que determina si la interrupción se ha producido realmente. Una vez que los contactos se separan y el arco se ha extinguido, la tensión del circuito vuelve a aparecer a través del espacio, y este debe soportarla. El arco puede restablecerse si la tensión de recuperación supera la rigidez dieléctrica del espacio. En ese caso, la corriente puede continuar hasta que se produzca una nueva oportunidad de corriente cero, y para que la interrupción sea satisfactoria sigue siendo necesaria una recuperación dieléctrica suficiente. Por eso un interruptor se diseña como un sistema: el material y la geometría de los contactos, la disposición de los blindajes, así como la carrera y la velocidad del contacto móvil, persiguen todos el mismo objetivo: alcanzar una corriente nula con un espacio que pueda soportar la tensión de recuperación.
Hay que tener en cuenta una salvedad. Un cero de corriente es una oportunidad, no una garantía. La descripción anterior corresponde al caso habitual de AC. No garantiza que todas las faltas, en todos los circuitos y todas las configuraciones, se eliminen en el primer cero natural de corriente, y por sí sola no dice nada sobre las funciones en corriente continua ni sobre condiciones de falta que superen la capacidad asignada al interruptor, sea cual sea el diseño interno del interruptor.
El mecanismo almacena energía mecánica para el movimiento de los contactos. En un mecanismo accionado por resorte, como el descrito tanto en el manual de uso en interiores como en el de uso en exteriores que se utilizan aquí, un motor de carga tensa el resorte de cierre y almacena esa energía mecánica. El cierre y la apertura son, por tanto, accionamientos independientes: el accionamiento de cierre permite que el resorte de cierre impulse el contacto móvil hacia el contacto fijo, y el accionamiento de apertura o disparo permite que el resorte de apertura lo aleje de nuevo. Un eje de transmisión, una articulación y la varilla aislante transmiten el movimiento al interruptor y al vástago móvil, mientras que un resorte de presión de contacto mantiene unidos los contactos con la fuerza necesaria una vez que se han cerrado.
Las funciones principales de esa cadena son distintas, y es fácil perder de vista su división del trabajo. El motor de carga almacena energía; no es un dispositivo de protección. Los disparadores inician el movimiento en la dirección correcta. El varillaje y la varilla aislante transmiten el movimiento. El fuelle no acciona ni apaga nada por sí mismo; solo permite que el vástago móvil se desplace mientras el límite de vacío permanece sellado. Los contactos conducen la corriente y cierran o abren el circuito. Los contactos auxiliares y los componentes de estado informan de lo que ha hecho el mecanismo. Confundir dos de estos elementos conduce directamente a expectativas erróneas sobre lo que se le puede pedir a un interruptor.
La orden que provoca la desconexión puede provenir de dos fuentes muy diferentes, y la diferencia es importante aunque el resultado mecánico sea idéntico. Una es una operación de conmutación intencionada: una orden de control deliberada, local o remota, para abrir o cerrar el circuito por motivos operativos. La otra es una desconexión de protección: se toma una medida del circuito primario, un relé o un controlador la evalúa en función de sus ajustes configurados, y la orden de desconexión resultante acciona el mismo mecanismo. La medición y la decisión corresponden al equipo de protección y a su configuración; el mecanismo y el sistema de contactos se encargan de la ejecución; el interruptor lleva a cabo la interrupción según su servicio nominal. Un interruptor no detecta fallos por sí mismo, y un esquema de protección no interrumpe la corriente por sí mismo. Cuando la cuestión pendiente es cómo se coordinan esas dos partes a lo largo de un ramal, el Artículo sobre la conmutación y la protección de las líneas de alimentación va más allá.
Este es también el punto en el que no se deben dar por sentadas las funciones opcionales. El hecho de que un interruptor de exterior se rearme automáticamente, se comunique con un centro de control u ofrezca una función de protección concreta depende del controlador y de la configuración realmente seleccionados, y no del hecho de que el dispositivo sea un interruptor de vacío. El manual del modelo para exteriores ZW32-12 utilizado aquí trata la protección, el reconexión y la comunicación como capacidades del controlador inteligente elegido, y enumera una función de aislamiento integrada bajo una designación de variante específica, en lugar de como una característica universal. Estas características pertenecen a la configuración, no al principio de interrupción.
Los interruptores automáticos de vacío para uso interior y exterior interrumpen la corriente de la misma manera y difieren en casi todo lo demás, salvo en ese aspecto fundamental.
Un interruptor de interior forma parte de un cuadro eléctrico. En el ejemplo VS1-12, el mecanismo y el cuerpo del interruptor forman una unidad que puede instalarse de forma fija o equiparse con un mecanismo de propulsión específico para convertirse en una unidad extraíble con carro. Sus terminales primarios están dispuestos para conectarse en una posición definida dentro del cubículo, y sus circuitos secundarios conectan las señales de control, indicación y enclavamiento al cuadro eléctrico. Por lo tanto, el cuadro establece las restricciones que determinan si un interruptor concreto es compatible: las dimensiones del cubículo, la disposición de los contactos primarios en la posición de servicio, el conector secundario, la lógica de enclavamiento y la alimentación de control disponible.
Un interruptor exterior forma parte de una estructura de ramal, en lugar de un cubículo. En el ejemplo de exterior ZW32-12, el manual divide el equipo principal en los interruptores de extinción de arco, el mecanismo de accionamiento y una caja de mecanismos que también sirve como base de montaje, fijación y manipulación; se describe por separado una disposición de montaje en poste, junto con las conexiones principales y el aislamiento externo de los postes. Dado que los transformadores de corriente pueden estar integrados en el conjunto y que el controlador es un elemento configurable, la detección y el control forman parte de lo que hay que especificar, en lugar de ser un aspecto secundario.
El sellado de la cámara de interrupción no supone el sellado del equipo. El interior del interruptor constituye un entorno y la instalación, otro; la humedad, el polvo, la temperatura, la contaminación y las condiciones mecánicas del emplazamiento siguen afectando a los polos, al mecanismo, a la carcasa y a los equipos auxiliares. El hecho de que un interruptor esté sellado significa que el medio de interrupción es estable, pero no que el dispositivo en su conjunto sea indiferente al lugar en el que se instale.
Un breve ejemplo ilustra hasta qué punto el entorno determina la elección. Imaginemos un proyecto en el que hay que sustituir los interruptores dentro de cuadros eléctricos interiores ya existentes. Las características principales se conocen a partir de los circuitos, por lo que los candidatos deben cumplir, en primer lugar, con los requisitos de capacidad de conducción, cierre, apertura y resistencia. Entre los candidatos adecuados, el ajuste y la interfaz reducen las opciones: si el chasis y la separación entre polos se adaptan al cubículo existente, si los contactos primarios se alinean en la posición de servicio, si el conector secundario se ajusta al cableado del cuadro, si los enclavamientos son del mismo tipo y si el mecanismo se adapta a la alimentación de control y a la filosofía de funcionamiento de la estación. Un interruptor que parece más potente en teoría queda descartado frente a otro más sencillo que encaja, ya que la tecnología de interrupción compartida nunca ha sido el factor determinante.
Ahora imaginemos el mismo tipo de proyecto al aire libre, en una nueva línea de alimentación aérea. No hay un armario eléctrico que defina la respuesta, por lo que alguien debe decidir cómo se montará el interruptor en la estructura y cómo se manejará desde abajo; cuánto aislamiento externo requieren las condiciones del emplazamiento, teniendo en cuenta la exposición y la contaminación; si la medición de la corriente se realiza mediante transformadores integrados o sensores independientes; si se necesita un conjunto de control con protección —y, posiblemente, reconexión y comunicación— o si basta con una configuración más sencilla; y si se requiere un espacio de aislamiento visible dentro de la unidad instalable, lo cual es una opción variable y no una característica inherente a los interruptores de vacío como clase. El principio de interrupción es idéntico al del caso en interiores y, sin embargo, la lista de candidatos es casi totalmente diferente, ya que las restricciones nunca tuvieron que ver con el vacío en primer lugar.
De todo esto se deriva una secuencia práctica para cualquiera que lea la ficha técnica o el manual de un interruptor. Empieza por la función que debe desempeñar el interruptor: la corriente que conduce en servicio continuo, la corriente de fallo y las condiciones en las que debe interrumpirla, así como las capacidades de cierre y resistencia asociadas a ellas. Considere la conducción normal y la interrupción de fallos como requisitos independientes, en lugar de agruparlos en un único epígrafe. A continuación, examine la instalación en la que se va a ubicar el interruptor: el armario y las interfaces primarias en interiores, así como el soporte, el aislamiento externo y la exposición en exteriores. Por último, analice el sistema de control: qué dispositivo emite las órdenes, qué mide la corriente, qué decide la desconexión y qué funciones opcionales forman parte realmente de la configuración.
Esos tres conjuntos de condiciones deben funcionar conjuntamente. Un buen interruptor en una instalación inadecuada no es una solución viable, y tampoco lo es un interruptor perfectamente adaptado conectado a un esquema de control que le atribuye funciones que no tiene. En cuanto a los propios dispositivos, la corriente Gama de interruptores automáticos de vacío para uso en interiores y Gama de interruptores automáticos de vacío para exteriores son el punto de partida, junto con el biblioteca de documentación de productos Se utiliza para encontrar el manual y los planos correspondientes al modelo y la configuración que se estén barajando.
Si la cuestión pendiente es de carácter funcional y no mecánico —en qué se diferencia la interrupción del circuito de la conmutación de carga, el aislamiento o la puesta a tierra en una instalación de media tensión—, Explicación de los dispositivos de conmutación de media tensión responde directamente a ello. Si el siguiente paso es una decisión completa sobre el proyecto que abarque la función, las potencias nominales, la instalación y el control, Cómo seleccionar dispositivos de conmutación de media tensión y sigue a partir de ahí.
No. El interruptor permanece sellado durante la conmutación normal. El arco se forma en el vapor metálico procedente de los contactos; tras su extinción, dicho vapor se condensa en el interior de la cámara. El vástago móvil se desplaza a través de un fuelle que mantiene el sellado, por lo que el funcionamiento normal no requiere volver a evacuar la cámara.
No. La cámara sellada contiene el medio de interrupción, mientras que los polos, el aislamiento externo, la carcasa del mecanismo, los soportes y los equipos auxiliares están expuestos al entorno de instalación. Una disposición en exteriores sigue requiriendo un aislamiento externo, una carcasa y un sistema de montaje adecuados a su exposición y a las condiciones del emplazamiento. El principio de interrupción al vacío por sí solo no garantiza esas características.
El hecho de que la tensión nominal coincida no garantiza la intercambiabilidad. Las características requeridas de conducción, cierre, apertura y resistencia también deben coincidir, al igual que las interfaces de instalación. En un cuadro eléctrico interior ya instalado, por ejemplo, la disposición de los contactos primarios, las dimensiones del chasis, los conectores secundarios, los enclavamientos y la alimentación de control pueden determinar si un interruptor encaja y funciona según lo previsto.
