Dentro del laboratorio que lleva los disyuntores de superred al límite

Jun 17, 2023

The Guardian: KEMA Laboratories prueba un disyuntor en condiciones extremas para asegurarse de que no fallará cuando realmente importa.

Imagine un día de calor abrasador en el centro de China, cuando todos los acondicionadores de aire en cada megaciudad están funcionando al máximo. A través de las remotas montañas de la provincia de Shanxi, las principales líneas de transmisión que transportan electricidad de ultra alto voltaje a las ciudades están operando casi a su máxima capacidad. Calentadas por la luz del sol y la corriente que fluye, las líneas de transmisión se hunden peligrosamente cerca de las copas de los árboles. De repente, la corriente salta de la línea a la rama del árbol, encuentra el camino de menor resistencia y se vierte a través del árbol hacia el suelo. Hay un destello brillante cuando la corriente ioniza el aire.

Durante este cortocircuito, la corriente desatada abruptamente alcanza de 10 a 20 veces su nivel normal en un abrir y cerrar de ojos. Ahora el sistema de protección de la red eléctrica debe actuar rápido. En milisegundos, los relés de protección deben reconocer la falla y ordenar a los interruptores automáticos en ambos extremos de la línea que apaguen la corriente, aislando la línea con falla. Hay mucho en juego: una corriente de cortocircuito sostenida puede desencadenar una reacción en cadena de fallas en toda la red y provocar apagones generalizados, dañando gravemente equipos costosos en el proceso. El apagón de 2003 en el noreste de América del Norte fue provocado por el contacto de un árbol con las líneas de transmisión en Ohio, lo que provocó una cascada de fallas que cerraron más de 260 plantas de energía, detuvieron el flujo de 60,000 megavatios en toda la red del noreste y oscurecieron a Nueva York. Ciudad.

En nuestro hipotético cortocircuito chino, todo depende de la acción de enormes interruptores automáticos. Al igual que un disyuntor doméstico, estos disyuntores industriales abren sus contactos en una fracción de segundo, pero debido a la enorme cantidad de energía en el sistema, la simple separación de los contactos no detiene la corriente. En cambio, la corriente crea un arco eléctrico dentro del interruptor. Ese pequeño espacio, que tiene un volumen de unos pocos litros, ahora contiene un plasma turbulento que puede alcanzar temperaturas de muchos miles de grados centígrados. El interruptor no puede contener ese plasma por mucho tiempo; si no se limpia rápidamente, habrá una terrible explosión.

Ahora entra en juego la naturaleza alterna de la corriente alterna: cada vez que cambia de dirección (cada 10 milisegundos en el sistema de 50 hercios de China), la corriente se vuelve cero temporalmente y el suministro de energía al arco de plasma se detiene momentáneamente. Es en uno de estos momentos de "corriente cero" que se debe interrumpir la corriente de falla. En ese momento crucial, un sistema de enfriamiento dentro del disyuntor inyecta un chorro de gas a alta presión en el espacio, eliminando cualquier residuo del plasma de arco caliente.

Inmediatamente después de que desaparece el arco y se elimina la falla, el sistema de energía se acelera nuevamente. En este proceso de recuperación, el voltaje a través del espacio aumenta abruptamente a más de 1 millón de voltios antes de establecerse en su nivel operativo normal. Entonces, en los microsegundos antes y después de la corriente cero, los contactos deben pasar de canalizar aproximadamente 50 kiloamperios de corriente a través del arco de plasma a soportar 1 megavoltio de voltaje. Este cambio rápido ejerce una enorme presión sobre los componentes de los interruptores.

La mayoría de los sistemas de transmisión de alto voltaje están protegidos contra cortocircuitos por disyuntores de gas. Esta animación simplificada muestra el proceso paso a paso mediante el cual un interruptor interrumpe el flujo de corriente peligrosamente alto creado por un cortocircuito. Animación: Erik Vrielink

Sin embargo, los interruptores automáticos deben funcionar sin problemas, porque la línea de transmisión debe volver a funcionar. Deben funcionar a pesar de que pueden haber estado inactivos durante largos períodos de tiempo y en todo tipo de clima. Entonces, ¿cómo puede el operador de la red en nuestro ejemplo chino confiar en que estos interruptores harán su trabajo y garantizar que una megaciudad no termine en la oscuridad? Solo las pruebas rigurosas pueden proporcionar esa tranquilidad. Me desempeño como director de innovación de KEMA Laboratories, una división holandesa de la empresa noruega de consultoría y certificación DNV GL. Nuestra tarea: imitar las estresantes condiciones de funcionamiento de un sistema de CA de ultra alta tensión in extremis. Reproducir este entorno es un desafío de ingeniería tremendamente difícil, pero es uno que debe cumplirse si queremos satisfacer las demandas de energía de las próximas décadas.

Es probable que la red eléctrica del mañana dependen de instalaciones de energía renovable a gran escala, como plantas hidroeléctricas, parques solares y parques eólicos marinos, ubicados lejos de las ciudades hambrientas de energía. Para transportar esa energía a través de largas distancias, los operadores del sistema están planificando y construyendo líneas de transmisión masivas. Estas líneas deben ser de alto voltaje, por lo que perderán solo una pequeña fracción de energía a través de la resistencia en las líneas. La construcción de estos sistemas de alto voltaje de última generación es bastante costosa. Pero muchas compañías eléctricas están decidiendo que la capacidad de mover grandes cantidades de energía a través de grandes distancias justifica los costos.

Elegir construir un sistema de transmisión de alto voltaje es el primer paso. El siguiente paso es decidir: ¿CC o CA? Los sistemas de transmisión de CC de alto voltaje son una opción cada vez más atractiva, ya que las líneas aéreas de transmisión de CC requieren menos espacio y pierden menos energía que las líneas de CA. Pero la tecnología de CA es más madura y los sistemas de transmisión más poderosos del mundo todavía están diseñados para CA. Las últimas superredes de CA utilizan voltaje ultra alto (UHV) de al menos 1000 kilovoltios, un nivel asombroso que aún no se ha alcanzado en CC. En este artículo, me centraré en el equipo necesario para las redes de CA.

Comprobación de las líneas: State Grid Corp. de China realiza un experimento en líneas de transmisión de ultra alta tensión en la provincia de Hubei.Foto: Li Jinyong/Xinhua

El primer segmento de red comercial UHV-AC entró en funcionamiento en China en enero de 2009. State Grid Corp. de China gastó 5700 millones de yuanes chinos (alrededor de 900 millones de dólares estadounidenses) en este proyecto de 1100 kV, una línea aérea de 640 kilómetros que conecta Las redes eléctricas del norte y centro de China. Un total de 1284 torres, cada una 10 veces más alta que la Gran Muralla, se elevan sobre el paisaje del interior de China y envían electricidad a través de los ríos Amarillo y Han. Las torres soportan 25.000 toneladas métricas de conductores de aluminio reforzado con acero que pueden transportar 5.000 MW. Las tres subestaciones del sistema contienen interruptores automáticos capaces de interrumpir una corriente de cortocircuito de hasta 63 kA. En 2013, State Grid encargó una línea UHV-AC de este a oeste igualmente impresionante que se extiende 650 km entre Huainan y Shanghái, que llevará energía desde las plantas de carbón del interior a las ciudades costeras.

Mientras tanto, India busca establecer un nuevo récord de voltaje mediante la construcción de una superred de CA de 1200 kV. En 2012, Power Grid Corp. de India encargó una estación de prueba para su equipo UHV, y una sección de 350 km de la línea de 400 kV Wardha-Aurangabad ahora se está actualizando a 1200 kV. Los desequilibrios en el suministro de energía del país hacen que estos proyectos de UHV sean particularmente beneficiosos. La línea Wardha-Aurangabad traerá electricidad de las centrales eléctricas de carbón en el centro del país a la ciudad de Aurangabad, un centro emergente de TI y fabricación que lucha contra la escasez de energía.

También veremos proyectos pioneros en las próximas décadas que combinan redes de transmisión de CA y CC de alto voltaje en una "red híbrida". (IEEE Spectrum exploró esta posibilidad en su artículo de agosto de 2015 "A Globe-Spanning Supergrid".) En Europa y China, y en menor medida en los Estados Unidos, se habla de sistemas híbridos que utilizarían las ventajas de ambos enfoques. Por ejemplo, un cable de CC submarino de alto voltaje podría tomar energía de manera eficiente de un parque eólico remoto del Mar del Norte y llevarla a una superred de CA, donde esa energía podría transformarse y desviarse fácilmente por Europa según sea necesario.

Prueba de esfuerzo: dentro de KEMA Labs, se prepara un disyuntor (cilindro azul) para una prueba. Dos bancos de capacitores (estructuras altas en primer plano) proporcionan el voltaje ultra alto requerido. Laboratorios KEMA

En sistemas de transmisión UHV , la pieza tecnológica más importante es el disyuntor. El interruptor es el guardián del sistema: debe estar eternamente vigilante y preparado para actuar al instante. Y debe funcionar en todas las condiciones ambientales ya pesar de un gran estrés en todo el sistema. En las instalaciones de prueba de KEMA, en Arnhem, Países Bajos, sometemos a estos martillos a una tensión extraordinaria para proporcionar una evaluación independiente de su rendimiento. Existe una clara necesidad de este servicio: Aproximadamente una cuarta parte de los interruptores automáticos llevados a nuestros laboratorios no pasan las pruebas.

¿Por qué no confiar en simulaciones para estudiar las tensiones en el trabajo? Desafortunadamente, los modelos informáticos aún no están a la altura de la tarea de simular interacciones a escala de microsegundos entre circuitos eléctricos y plasmas extremadamente calientes y químicamente complejos. Un estudio realizado por CIGRÉ, el Consejo Internacional de Grandes Sistemas Eléctricos, evaluó las herramientas de simulación utilizadas por siete importantes fabricantes. Primero, las buenas noticias: estas diferentes herramientas modelaron los campos eléctricos en ubicaciones críticas dentro de un interruptor automático con gran precisión y concordancia. Pero cuando las herramientas modelaron la falla de un interruptor, el punto en el que sucumbió al estrés eléctrico, produjeron valores muy diferentes entre sí y del verdadero valor probado. Es como modelar la flexión de un palillo de dientes: es fácil calcular las tensiones internas, pero el momento y la ubicación de la fractura de la madera no se pueden predecir con precisión.

Por lo tanto, en nuestro laboratorio creamos condiciones del mundo real para determinar cómo se comportarán los interruptores en el campo. Por supuesto, la electricidad que ingresa a nuestro laboratorio no es exactamente lo que exigen nuestras pruebas, por lo que tuvimos que desarrollar algunos trucos inteligentes que nos permitieran liberar poderosas oleadas de corriente y voltaje. En un proceso de prueba de dos pasos, imitamos las dos tensiones eléctricas potencialmente catastróficas en un disyuntor UHV en una secuencia cronometrada con precisión.

Para imitar un desastre: potentes generadores suministran la corriente necesaria para replicar el tipo de cortocircuitos que pueden arruinar las redes de transmisión más costosas y expansivas de la actualidad. Laboratorios KEMA

Primero, la corriente de cortocircuito debe fluir a través del interruptor mientras sus contactos se separan, estableciendo así un arco eléctrico en el interior. En la actualidad, generamos esta corriente con cuatro generadores, cada uno de los cuales tiene un rotor de 54 toneladas métricas que se mueve a una velocidad que coincide con la frecuencia de CA deseada, de 16,7 a 60 Hz; muy pronto estarán girando otros dos. Para iniciar el cortocircuito, 12 interruptores sincronizados activan el circuito, convirtiendo la energía mecánica almacenada en los rotores de los generadores en energía eléctrica. Podemos extraer una corriente máxima de 100 kA de cada generador, suficiente para igualar las corrientes de cortocircuito de 80 a 90 kA que se ven en las redes de transmisión más poderosas del mundo.

Así que ahora hemos reproducido las corrientes ruinosamente altas vistas en el primer instante de un cortocircuito. Pero el trabajo del rompedor aún no ha terminado. Debe usar su chorro de gas para despejar el arco del espacio en el momento crítico de corriente cero y luego, en microsegundos, comenzar la recuperación del circuito. Durante el paso de recuperación, los componentes deben soportar una sobretensión transitoria que supera con creces la tensión típica del circuito.

Prueba de fuego: un cortocircuito a alta corriente tensiona un aislador de línea de transmisión en una demostración de laboratorio.KEMA Laboratories

La corriente de cortocircuito de 100 kA que producimos está disponible a solo 17 kV. Media docena de transformadores especializados elevan este voltaje a 250 kV, pero todavía es demasiado bajo para probar adecuadamente un interruptor de circuito con clasificación UHV. Usar transformadores adicionales para aumentar aún más el voltaje no tiene sentido porque la corriente disminuiría en consecuencia. Así que tuvimos que encontrar otra manera.

Para nuestro segundo truco, empleamos bancos de capacitores tan grandes como edificios de cuatro pisos, que están precargados a unos 700 a 800 kV. En el momento crítico, activamos una vía de chispas, que descarga los condensadores en secuencia. El primer banco de capacitores suministra un megavoltio inicial y luego, unos cientos de microsegundos más tarde, un segundo banco de capacitores agrega otro megavoltio. Así es como golpeamos el interruptor UHV con un voltaje que replica lo que encontraría en el campo.

En 2008, probamos interruptores automáticos que coincidían con las especificaciones de la superred china utilizando una instalación UHV piloto, que suministró 2 MV dentro del milisegundo posterior a una interrupción por cortocircuito. Ahora estamos construyendo una instalación permanente, a un costo de $80 millones, que nos permitirá probar tanto los interruptores automáticos UHV como otro componente clave de la superred: los transformadores de alto voltaje. Nuestras pruebas han demostrado que alrededor del 25 por ciento de estos transformadores están dañados internamente por las tremendas fuerzas electrodinámicas asociadas con los cortocircuitos. Estos transformadores deben sobrevivir a la corriente de cortocircuito que fluye a través de ellos durante un breve período de tiempo antes de que los interruptores hagan su trabajo, lo cual no es una tarea fácil.

Puede sorprender a algunos ingenieros eléctricos. aprender que tales equipos de prueba de alta tecnología deben aplicarse a algo tan común como un disyuntor. ¿No descubrimos todo lo que hay que saber sobre la tecnología de interruptores hace décadas? De hecho, la tecnología aún está evolucionando, al igual que nuestra capacidad para evaluar su desempeño.

Los disyuntores a base de aceite dominaron a principios del siglo XX. En estos dispositivos, los contactos se encuentran dentro de un tanque lleno de aceite; cuando se forma el arco, parte del aceite se convierte en una burbuja de gas a alta presión, que rodea y extingue el arco. Pero estos tanques de aceite son artilugios difíciles de manejar y peligrosos. La década de 1970 vio el auge de los interruptores automáticos que utilizan hexafluoruro de azufre, un gas inerte con buenas propiedades aislantes, que se lanza a través del espacio para apagar el arco. Sin embargo, el SF6 es un gas de efecto invernadero extremadamente potente, por lo que la industria eléctrica ahora está desarrollando tecnologías alternativas.

Muchos investigadores están investigando un tipo de disyuntor que interrumpe la corriente en un entorno de vacío. La principal dificultad aquí es manejar el campo eléctrico en el vacío. Debido a que no hay gas ni líquido presente, el arco de plasma crea su propio medio al liberar e ionizar el vapor de metal de los propios contactos. A medida que el plasma caliente quema los contactos, deforma sus superficies, creando picos y depresiones microscópicas. Las protuberancias que sobresalen de la superficie de un contacto son análogas a los árboles altos que se elevan sobre la superficie de la Tierra y, por lo tanto, es más probable que les caiga un rayo. Los contactos rugosos pueden continuar canalizando la corriente cuando no deberían hacerlo, es decir, cuando el interruptor está intentando despejar el arco.

Para desarrollar aún más estos interruptores basados ​​en vacío, debemos probarlos en condiciones de máxima potencia y estudiar la corriente de meras decenas de microamperios que se extrae de las protuberancias de los contactos por el efecto de túnel de la mecánica cuántica. ¿Señalan estas pequeñas corrientes una reanudación inminente del arco eléctrico y, por lo tanto, la falla del interruptor? Esa es una pregunta muy debatida en la comunidad científica. En KEMA Labs, estamos buscando respuestas evaluando el efecto de estas pequeñas corrientes en equipos reales bajo plena tensión.

De hecho, muchos de nuestros proyectos de investigación implican trabajar en las escalas más pequeñas imaginables. Sorprendentemente, los procesos muy rápidos que ocurren en la microescala a menudo determinan si los componentes masivos de una red de transmisión funcionarán mal y, posiblemente, si toda una ciudad quedará a oscuras.

Con lo nuevo: un transformador especializado destinado a la expansión del nuevo laboratorio de KEMA se revisa en una barcaza antes de la instalación.Foto: KEMA Laboratories

Debemos ser capaces de estudiar, por ejemplo, los eventos dentro del interruptor automático durante los pocos microsegundos que rodean el momento de corriente cero. En ese minúsculo lapso de tiempo, el interruptor debe pasar de ser un muy buen conductor a un aislante casi perfecto. Con las herramientas más nuevas, ahora podemos monitorear esta transición. Un método de alta resolución que hemos desarrollado puede detectar corrientes más pequeñas que un solo amperio y que duran solo unos pocos microsegundos durante pruebas de cortocircuito a gran escala, que utilizan corrientes que se miden en cientos de kiloamperios. Buscamos estas corrientes diminutas después del momento de corriente cero durante el cual el arco debería haberse extinguido totalmente. Si los encontramos, tenemos una indicación de que algo anda mal con la recuperación del interruptor y que el arco eléctrico completo puede arder nuevamente dentro de su espacio.

Las superredes de electricidad del siglo XXI dependerán de estos guardianes interruptores de circuito, estacionados como centinelas a lo largo de las líneas de transmisión que se extienden por todo el continente. Y los interruptores, a su vez, confían en los ingenieros de los laboratorios de prueba que liberan poderosas corrientes de electricidad para estresar estos componentes al máximo, al mismo tiempo que investigan los procesos íntimos dentro del corazón de los interruptores. Solo estas pruebas de arriba a abajo garantizarán que el equipo pueda mantener fresca una megaciudad china incluso en los días más calurosos.

Este artículo apareció originalmente impreso como "Protección de la superred".