ES2259409T3 - Dispositivo disyuntor hibrido. - Google Patents
Dispositivo disyuntor hibrido.Info
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Abstract
Dispositivo disyuntor que comprende una rama principal (1) que contiene un elemento interruptor mecánico (2) y una rama auxiliar (3) que contiene una célula (4) de corte de semiconductor, estando montada esta rama auxiliar (3) en paralelo con la rama principal (1), caracterizado porque la rama principal (1) comprende en serie con el elemento interruptor mecánico (2) un módulo (M2) en serie de ayuda en la conmutación que comprende una célula (5) de corte de semiconductor de apertura accionable en paralelo con una impedancia (Z1) y porque la rama auxiliar (3) comprende un módulo (M4) en paralelo de ayuda en la conmutación que comprende una impedancia (Z2), incluyendo esta impedancia (Z2) al menos un elemento de tipo condensador (C).
Description
Dispositivo disyuntor híbrido.
La presente invención se refiere al campo de los
dispositivos disyuntores particularmente para las redes eléctricas
alternas o continuas y los sistemas o equipamientos eléctricos en
general. Estos dispositivos disyuntores que se insertan en un
circuito eléctrico que hay que proteger poseen un elemento
interruptor que corta la corriente que circula en el circuito que
hay que proteger en unas condiciones anormales de funcionamiento,
por ejemplo en caso de cortocircuito que aparece en el circuito que
hay que proteger.
Tradicionalmente los dispositivos disyuntores
son mecánicos, es decir, que el corte de la corriente se obtiene
únicamente mediante la apertura de un elemento interruptor mecánico.
Tal elemento interruptor mecánico comprende dos piezas conductoras
que hacen contacto que están en contacto mecánico cuando el elemento
interruptor está cerrado (funcionamiento normal) y que se separan
mecánicamente cuando el elemento interruptor está abierto
(funcionamiento anormal en caso de sobreintensidad). Hay
generalmente un contacto móvil y al menos un contacto fijo en estas
piezas conductoras que hacen contacto. Estos dispositivos
disyuntores mecánicos presentan varios inconvenientes
particularmente cuando son atravesados por unas corrientes
importantes.
El corte mecánico se traduce en el
establecimiento de un arco eléctrico debido a las importantes
energías acumuladas en el circuito en el que el dispositivo
disyuntor está montado y al cual protege.
Este arco eléctrico degrada por una parte
mediante erosión las piezas conductoras que hacen contacto y por
otra parte mediante ionización el medio que rodea el elemento
interruptor. Así la corriente tarda cierto tiempo en interrumpirse
a causa de esta ionización. Este arco eléctrico que degrada las
piezas conductoras que hacen contacto necesita unas operaciones de
mantenimiento obligatorias y costosas.
Para reducir los perjuicios del arco eléctrico
inevitable y aligerar el mantenimiento, se colocan las piezas
conductoras que hacen contacto en una cámara de corte, se trata de
un recinto lleno de un medio específico que puede ser aire, el
vacío, un gas particular, por ejemplo hexafluoruro de azufre
SF_{6}, pero que en el futuro será probablemente prohibido por
razones ambientales. Este medio específico es capaz de soportar la
sobrepresión creada por la formación del arco eléctrico y está
destinado a favorecer su extinción.
Tales dispositivos disyuntores de elemento
interruptor mecánico tienen un tiempo de corte elevado. El tiempo
para que el elemento interruptor mecánico se abra es del orden del
milisegundo, incluso de varios milisegundos.
Otro inconveniente es que son voluminosos, las
dimensiones de la cámara de corte son tan importantes como alta es
la tensión.
Los progresos recientes de la electrónica de
potencia han permitido considerar la sustitución del corte
electromecánico por un corte electrónico por medio de componentes
semiconductores de potencia. Unos dispositivos disyuntores llamados
estáticos están en estudio.
Los primeros sistemas que utilizan unos
tiristores de potencia han nacido en baja tensión BT (<1 kV).
Después, prototipos a base de IGBT (abreviación
anglosajona de Insulated Gate Bipolar Transistor que es transistor
bipolar de puerta aislada) y todavía más recientemente a base de
IGCT (abreviación anglosajona de Integrated
Gate-Commutated Thyristor que es tiristor de rejilla
conmutada integrada) han sido probados para unas tensiones alternas
de varios kilovoltios.
Estos dispositivos disyuntores enteramente
estáticos presentan bien el interés de una velocidad de corte
incrementada (inferior al milisegundo), pero poseen unos
inconvenientes específicos en los componentes semiconductores. La
corriente máxima que soportan y la tensión máxima que resisten son
limitadas. El dispositivo disyuntor no puede ser temporizado ya que
el componente semiconductor que conduce no puede soportar la
corriente de defecto máxima, por lo tanto hay que cortar
imperativamente la corriente antes de alcanzar este valor
destructivo. Este corte se hace en menos de una semialternancia en
el caso de corriente alterna.
Los dispositivos disyuntores poseen unas
pérdidas por efecto Joule en el estado de paso y debe ser previsto
un dispositivo de refrigeración. Igualmente, hay que integrar un
sistema de disipación de la energía presente en el momento del
corte.
La utilización de dispositivos disyuntores
"puramente estáticos", únicamente a base de componentes
semiconductores para unas tensiones de varios kilovoltios y unas
corrientes superiores al kiloamperio, sigue siendo todavía por lo
tanto un problema.
Con el fin de salvar estas dificultades, unos
dispositivos disyuntores híbridos (mecánicos y electrónicos), que
utilizan a la vez unos semiconductores y un elemento interruptor
mecánico, están actualmente en desarrollo. Tal dispositivo disyuntor
se describe por ejemplo en la solicitud de patente WO00/54292.
Un dispositivo disyuntor 10 similar al descrito
en esta solicitud de patente, más que simplificado, está
representado en la figura 1. Este dispositivo disyuntor 10 está
destinado a proteger un circuito eléctrico materializado por una
línea eléctrica L. El dispositivo disyuntor 10 está montado en serie
con el circuito L que hay que proteger. El dispositivo disyuntor 10
comprende una rama principal 1 en la que se encuentra un elemento
interruptor mecánico 2 y una rama auxiliar 3 montada en paralelo
con la rama principal 1. La rama auxiliar 3 comprende una célula 4
de corte de semiconductor. Esta célula 4 de corte comprende un
puente 40 de Graetz con cuatro diodos D y conectado a los bornes de
una diagonal del puente 40 de Graetz, montado al menos un elemento
41 de corte de semiconductor en paralelo con una varistancia 42.
Este elemento de corte puede ser un tiristor. Este elemento puede
ser de apertura accionable, por ejemplo un tiristor de tipo
IGCT.
El significado de la expresión "de apertura
accionable" es que el elemento de corte de semiconductor se abre
cuando se le aplica una orden apropiada.
Un simple tiristor no es "de apertura
accionable". No se abre, después de una orden, más que con
corriente cero.
El elemento 41 de corte de semiconductor es por
lo tanto, bien en un estado de paso (cerrado) o bien en un estado
de bloqueo (abierto), lo que pone la célula de corte de
semiconductor en estado de paso (abierta) o en estado de bloqueo
(cerrada).
La conexión de la célula 4 de corte de
semiconductor en la rama principal 1 se hace al nivel de los
extremos de la otra diagonal del puente 40 de Graetz.
En funcionamiento normal, el elemento
interruptor mecánico 2 está cerrado. Sus dos piezas conductoras que
hacen contacto están en contacto mecánico. El elemento 41 de corte
de semiconductor está en un estado de bloqueo. El circuito L que
hay que proteger puede ser recorrido por una corriente eléctrica por
medio de la rama principal 1 del dispositivo disyuntor, es decir,
por medio del elemento interruptor mecánico 2, y esto prácticamente
sin pérdidas por efecto Joule. En caso de aparición de una
sobreintensidad en el circuito L que hay que proteger y por lo
tanto en la rama principal 1 del dispositivo disyuntor, unos medios
(no representados) ordenan la apertura del elemento interruptor
mecánico 2 y simultáneamente la puesta en el estado de paso del
elemento 41 de corte de semiconductor. Un pequeño arco eléctrico
aparece al nivel de las piezas conductoras que hacen contacto del
elemento interruptor mecánico 2 durante su separación. La tensión
que corresponde a este arco eléctrico permite que la corriente que
circula en el circuito L que hay que proteger conmute rápidamente en
la rama auxiliar 3 en la que la célula 4 de corte de semiconductor
está en estado de paso.
Cuando la distancia entre las piezas conductoras
que hacen contacto del elemento interruptor mecánico 2 es
suficiente para que el arco eléctrico se apague, el elemento 41 de
corte de semiconductor de la célula 4 de corte es puesto en el
estado de bloqueo, lo que permite el corte final de la corriente en
el circuito L que hay que proteger.
Se dispone que la velocidad de apertura del
elemento interruptor mecánico 2 sea lo más rápida posible, de
manera que el arco eléctrico generado entre las piezas conductoras
que hacen contacto del elemento interruptor mecánico 2 tenga una
energía lo más pequeña posible y ya no sea propenso por lo tanto a
degradar dichas piezas. Sin embargo, este arco eléctrico juega un
papel importante ya que es la pequeña tensión del arco (una decena
de voltios) lo que polariza el elemento 41 de corte de semiconductor
por encima de su tensión de umbral, haciéndole pasar así al estado
de paso, y hace desviar la corriente a la rama auxiliar. La señal de
orden es de manera clásica un impulso aplicado en la puerta del
tiristor 41 en el momento de la apertura del elemento interruptor
mecánico 2.
Este dispositivo disyuntor híbrido 10 resuelve
por lo tanto ciertas de las dificultades técnicas de los
dispositivos disyuntores puramente estáticos, pero sus rendimientos
son principalmente dependientes de la velocidad de apertura del
elemento interruptor mecánico 2. Los estudios han mostrado que el
incremento de la velocidad de apertura del elemento interruptor
mecánico presenta un límite físico cuando se aumenta la corriente y
la tensión en una topología híbrida. En efecto, para que el
elemento interruptor mecánico pueda soportar unas corrientes
elevadas, hay que aumentar la superficie de la zona de contacto
entre las piezas conductoras que forman contacto, lo que aumenta la
masa de la pieza conductora móvil y disminuye la velocidad de
apertura. Esta última corre el riesgo de llegar a ser insuficiente
para conmutar la corriente rápidamente en la rama derivada y para
producir un arco de poca energía. Una intensidad elevada de
corriente en la rama principal nos vuelve a traer por lo tanto al
problema de que el disyuntor mecánico implique una degradación del
contacto mecánico del elemento interruptor mecánico 2.
En este momento, los dispositivos disyuntores,
bien estáticos o bien híbridos, no son satisfactorios,
particularmente en el caso de aplicaciones de alta tensión de
potencia fuerte.
El documento
EP-A-1014403 describe un dispositivo
disyuntor que corresponde al preámbulo de la reivindicación 1.
La presente invención tiene justamente como fin
proponer un dispositivo disyuntor híbrido que no presenta los
inconvenientes mencionados anteriormente.
Más precisamente, un fin de la invención es
proponer un dispositivo disyuntor híbrido, que comprende un elemento
interruptor mecánico y un elemento de corte de semiconductor, capaz
de conducir una corriente continua o alterna y en el que no aparece
arco eléctrico durante la apertura del elemento interruptor mecánico
mismo si la corriente es importante.
Otro fin de la invención es proponer un
dispositivo disyuntor híbrido de mantenimiento reducido.
Para alcanzar estos fines, la invención se
refiere más precisamente a un dispositivo disyuntor que comprende
una rama principal que contiene un elemento interruptor mecánico y
una rama auxiliar que contiene una célula de corte de
semiconductor, estando montada esta rama auxiliar en paralelo con la
rama principal. La rama principal comprende, en serie con el
elemento interruptor mecánico, un módulo en serie de ayuda en la
conmutación que comprende una célula de corte de semiconductor de
apertura accionable en paralelo con una impedancia. La rama
auxiliar comprende un módulo en paralelo de ayuda en la conmutación
que comprende una impedancia, incluyendo esta impedancia al menos un
elemento de tipo condensador.
La impedancia del módulo en serie de ayuda en la
conmutación es preferentemente una varistancia.
La célula de corte de semiconductor de apertura
accionable puede comprender al menos un conjunto en serie con un
diodo y un tiristor de tipo IGCT.
Si el dispositivo disyuntor es bidireccional, la
célula de corte de semiconductor de apertura accionable puede
comprender dos conjuntos en serie montados en antiparalelo.
La célula de corte de semiconductor de la rama
auxiliar puede comprender al menos un tiristor.
Si el dispositivo disyuntor es bidireccional, la
célula de corte de semiconductor de la rama auxiliar puede
comprender dos tiristores montados en antiparalelo.
En otro modo de realización, la célula de corte
de la rama auxiliar comprende un tiristor y un puente de Graetz que
tiene dos diagonales, formando el tiristor una diagonal del puente
de Graetz, formando la rama principal la otra diagonal del puente
de Graetz.
En este modo de realización, la impedancia del
módulo en paralelo de ayuda en la conmutación puede comprender un
condensador en serie con el tiristor.
Una inductancia en serie puede ser montada en
serie con el condensador.
En otro modo de realización, la impedancia del
módulo en paralelo de ayuda en la conmutación puede comprender un
conjunto formado por un condensador y por una primera resistencia
montados en paralelo, estando este conjunto en serie con una
segunda resistencia y con la célula de corte de semiconductor de la
rama auxiliar.
Una inductancia en serie puede ser montada en
serie con el conjunto y la segunda resistencia.
En otro modo de realización, el módulo en
paralelo de ayuda en la conmutación puede comprender un puente de
Graetz que tiene dos diagonales, estando conectado un conjunto en
paralelo con el condensador y una resistencia a los bornes de una
primera diagonal del puente de Graetz, estando conectada una
inductancia auxiliar a los bornes de la otra diagonal y estando
unido uno de los bornes de la segunda diagonal a la célula de corte
de semiconductor de la rama auxiliar.
Una inductancia en serie puede estar conectada
entre el puente de Graetz y la célula de corte de semiconductor de
la rama auxiliar.
Para ser rápido, el elemento interruptor
mecánico puede comprender un contacto móvil de arrastre
electromagnético de tipo Thomson.
La presente invención se refiere igualmente a un
procedimiento de desconexión de un dispositivo disyuntor así
caracterizado. Consiste, en presencia de una sobreintensidad en la
rama principal, en hacer bascular de un estado de paso a un estado
de bloqueo la célula de corte de semiconductor de apertura
accionable del módulo en serie de ayuda en la conmutación, en hacer
bascular de un estado de bloqueo a un estado de paso la célula de
corte de semiconductor de la rama auxiliar, después en abrir el
elemento interruptor mecánico que estaba inicialmente cerrado y
finalmente, tras la aparición de una corriente cero, en hacer
bascular del estado de paso al estado de bloqueo la célula de corte
de semiconductor de la rama auxiliar.
La presente invención se comprenderá mejor con
la lectura de la descripción de ejemplos de realización dados, a
título puramente indicativo y en absoluto limitativo, haciendo
referencia a los dibujos adjuntos en los que:
la figura 1 ya descrita muestra un esquema de un
dispositivo disyuntor híbrido de la técnica anterior;
la figura 2 muestra un esquema de un dispositivo
disyuntor según la invención;
las figuras 3A, 3B muestran de manera más
detallada dos modos de realización de un dispositivo disyuntor según
la invención;
la figura 4 muestra de manera más detallada otro
modo de realización de un dispositivo disyuntor según la
invención;
la figura 5A muestra un ejemplo del elemento
interruptor mecánico del dispositivo disyuntor y la figura 5B es su
circuito equivalente;
las figuras 6A y 6B ilustran las corrientes que
circulan en el dispositivo disyuntor según la invención, en el
elemento interruptor mecánico y en la célula de corte de
semiconductor de la rama auxiliar, así como la tensión en los
bornes del elemento interruptor mecánico en presencia de una
sobreintensidad en la rama principal.
Partes idénticas, similares o equivalentes de
las diferentes figuras descritas posteriormente llevan las mismas
referencias numéricas para facilitar el paso de una figura a
otra.
Las diferentes partes representadas en las
figuras no lo están necesariamente según una escala uniforme, para
hacer las figuras más legibles.
Ahora se hará referencia a la figura 2 que
muestra de manera esquemática un dispositivo disyuntor según la
invención. Este dispositivo comprende, como en la técnica anterior,
una rama principal 1 que contiene un elemento interruptor mecánico
2 y una rama auxiliar 3 montada en paralelo con la rama principal 1
y que contiene una célula 4 de corte de semiconductor. Esta célula
de corte de semiconductor está bien en un estado de paso o bien en
un estado de bloqueo. Con respecto al esquema de la figura 1, el
dispositivo disyuntor según la invención comprende en la rama
principal 1 un módulo M2 en serie de ayuda en la conmutación formado
por otra célula 5 de corte de semiconductor de apertura accionable
montada en paralelo con una impedancia Z1. La expresión "módulo
en serie" es empleada para indicar que este módulo se encuentra
en la rama principal 1. Esta célula 5 de corte de semiconductor de
apertura accionable está bien en un estado de paso o bien en un
estado de bloqueo. El módulo M2 en serie de ayuda en la conmutación
está conectado en serie con el elemento interruptor mecánico 2.
Además, la rama auxiliar 3 comprende, además de la célula 4 de corte
de semiconductor, un módulo M4 paralelo de ayuda en la conmutación
formado por una impedancia Z2 con al menos un elemento de tipo
condensador C. La expresión "módulo en paralelo" es empleada
para indicar que el módulo está en la rama auxiliar 3 en
paralelo.
El término "impedancia" empleado en este
contexto designa una parte de circuito que manifiesta una oposición
al paso de una corriente cualquiera (continua o alterna), tal parte
de circuito está realizada a base de componentes de tipo bobina de
inductancia y/o condensador y/o resistencia.
Preferentemente, tal dispositivo disyuntor será
bidireccional para poder funcionar en corriente alterna pero no es
obligatorio; puede ser monodireccional.
Se puede referir a la figura 3A que muestra en
detalle un primer modo de realización de un dispositivo disyuntor
según la invención. Este dispositivo disyuntor es bidireccional.
Conviene para una fase de una red eléctrica alterna pero igualmente
para una red eléctrica continua. Las partes dibujadas con puntos son
superfluas en un dispositivo disyuntor monodireccional.
En el módulo M2 en serie de ayuda en la
conmutación, la célula 5 de corte de semiconductor de apertura
accionable comprende al menos un conjunto en serie formado por un
diodo D1 y por un componente semiconductor IG2 de apertura
accionable. Tal componente puede ser un tiristor de tipo IGCT. Un
tiristor clásico no convendría ya que no se abre más que con
corriente cero. Se emplean dos conjuntos en serie cuando el
dispositivo disyuntor debe ser bidireccional y en este caso los dos
conjuntos están montados en antiparalelo. En la figura 3, la
conexión del segundo conjunto IG'2, D'1 está representada con
puntos para mostrar que el segundo conjunto es opcional. Esta
célula 5 de corte de semiconductor de apertura accionable está
montada en paralelo con una impedancia Z1 que es de tipo
varistancia V1. Esta varistancia que puede ser de tipo MOV (Metal
Oxide Varistor que es varistancia de óxido metálico) está
dimensionada para disipar la energía que en el pasado era disipada
durante el establecimiento del arco eléctrico. El conjunto de la
célula 5 de corte de semiconductor de apertura accionable y de la
impedancia Z1 está conectado en serie con el elemento interruptor
mecánico 2. La varistancia V1 puede soportar una tensión que no
representa más que una fracción de la tensión de la red, por ejemplo
la mitad.
El elemento interruptor mecánico 2 puede estar
basado en la utilización de fuerzas electromagnéticas para la
puesta en movimiento de un contacto móvil 2.1, siendo el fin obtener
el establecimiento de un salto indicativo de fuerza. Un ejemplo del
elemento interruptor mecánico 2 está ilustrado en la figura 5A. Este
elemento interruptor mecánico es de tipo Thomson sin material
ferromagnético. El principio conocido se basa en la ley de Lenz.
El contacto móvil 2.1 es solidario con una pieza
móvil 2.2 en material conductor no magnético. Esta pieza 2.2
coopera con un circuito de propulsión que comprende una bobina 2.3,
preferentemente plana, y un circuito de alimentación 2.4. La
elección de la bobina plana 2.3 permite obtener un campo magnético
vertical próximo a la pieza móvil 2.2. Cuando la bobina 2.3 se
excita por una corriente intensa de impulsos entregada por el
circuito de alimentación 2.4, una contracorriente en sentido inverso
nace en la pieza móvil 2.2 y, a causa de la interacción entre estas
dos corrientes, una fuerza de repulsión F aparece entre la bobina
plana 2.3 y la pieza móvil 2.2. Esta fuerza de repulsión F provoca
un desplazamiento de la pieza móvil 2.2 que estaba en una posición
inicial de reposo. En esta posición inicial de reposo, el contacto
móvil 2.1 está en contacto eléctrico con al menos un contacto fijo
2.0 (unido al circuito L que hay que proteger) y el elemento
interruptor mecánico 2 está cerrado. La fuerza de repulsión F que
se aplica en la pieza móvil 2.2 pretende separar el contacto móvil
2.1 del contacto fijo 2.0 y, por lo tanto, abrir el elemento
interruptor mecánico 2. Gracias a su forma vacía en forma de
anillo, la pieza móvil 2.2 es propulsada verticalmente en
translación. De este modo, se reduce la masa en movimiento con
respecto a una pieza plana, así como la energía necesaria en la
propulsión, y/o se aumenta la velocidad de desplazamiento. Otras
geometrías de pieza móvil son posibles, por ejemplo un disco
macizo. Cuando la bobina 2.3 ya no está excitada, la pieza móvil 2.2
retoma su posición de reposo y el elemento interruptor 2 está de
nuevo cerrado.
Es posible que la pieza móvil 2.2 y el contacto
móvil 2.1 se confundan. En esta configuración, la pieza móvil sería
por ejemplo en aluminio revestido de plata para asegurar igualmente
la función de contacto eléctrico.
Se hace referencia a la figura 5B que es un
circuito equivalente del circuito de propulsión que coopera con la
pieza móvil 2.2, así como del circuito de alimentación 2.4. L1
representa la inductancia de la bobina plana 2.3, R10 es su
resistencia. L2 representa la inductancia de la pieza móvil 2.2 y
R11 es su resistencia. M representa la inductancia mutua entre la
bobina plana 2.3 y la pieza móvil 2.2.
Este circuito equivalente está unido al circuito
de alimentación 2.4 que está formado por al menos un condensador
C10 destinado a estar cargado de una tensión Uo antes de una
descarga, por un diodo D10 montado en paralelo con el condensador
C10 y por un tiristor TH10 insertado entre el conjunto en paralelo
C10, D10 y el circuito equivalente.
Se hace referencia de nuevo a la figura 3A. La
célula 4 de corte de semiconductor que se encuentra en la rama
auxiliar 3 está formada por dos tiristores TH1, TH'1 montados en
antiparalelo. Uno de los tiristores TH'1 puede ser omitido en un
montaje monodireccional.
El módulo M4 en paralelo de ayuda en la
conmutación está montado en serie con la célula 4 de corte de
semiconductor de la rama auxiliar 3. Comprende una resistencia R2
montada en serie con un conjunto en paralelo formado por una
resistencia R1 en paralelo con un condensador C1. El módulo M4 en
paralelo de ayuda en la conmutación puede comprender igualmente en
serie con la resistencia R2 y el conjunto paralelo R1, C1, una
inductancia LS1 en serie. Esta inductancia LS1 en serie sirve para
limitar la velocidad de subida de la corriente durante la puesta en
conducción de la célula 4 de corte de semiconductor para obtener una
conexión correcta también en corriente continua. La impedancia Z2
comprende el condensador C1, las resistencias R1 y R2 y la
inductancia LS1 en serie.
La figura 3B ilustra otro modo de realización de
un dispositivo disyuntor según la invención derivado del de la
figura 3A.
En este esquema, se encuentra la misma
configuración en la rama principal 1 y la misma configuración para
la célula 4 de corte de semiconductor de la rama auxiliar 3. La
diferencia se sitúa al nivel del módulo M4 en paralelo de ayuda en
la comunicación. Este módulo M4 en paralelo comprende un puente de
Graetz Pb con cuatro diodos D21 a D24. En una primera diagonal del
puente de Graetz Pb está montado un conjunto en paralelo con un
condensador C11 y una resistencia R11. Una inductancia auxiliar LA1
está montada en paralelo en los bornes de la otra diagonal del
puente de Graetz Pb.
Uno de los extremos de la segunda diagonal está
unido a la rama principal 1. El otro extremo de la segunda diagonal
está unido a la célula 4 de corte de semiconductor por medio de la
inductancia LS1 en serie (si está presente).
La impedancia Z2 comprende el condensador C11,
la resistencia R11, la inductancia auxiliar LA1 y la inductancia LS1
en serie.
La figura 4 ilustra otro modo de realización de
un dispositivo disyuntor según la invención. Con respecto a las
figuras 3A, 3B, se encuentra la misma configuración en la rama
principal 1, es decir, el elemento interruptor mecánico 2 en serie
con el módulo M2 en serie de ayuda en la conmutación.
En la rama auxiliar 3, la célula 4 de corte de
semiconductor comprende un puente de Graetz Pa con cuatro diodos
D11 a D14 y un tiristor THa montado en una diagonal del puente de
Graetz Pa. Este puente de Graetz Pa está conectado a los bornes del
conjunto en serie formado por el módulo M2 en serie de ayuda en la
conmutación y por el elemento interruptor mecánico 2. Esta conexión
se hace al nivel de los extremos de la otra diagonal del puente de
Graetz Pa. El módulo M4 en paralelo de ayuda en la conmutación
comprende un condensador Ca que está conectado en la diagonal en
serie con el tiristor THa. Como anteriormente, una inductancia LS1
en serie puede estar insertada entre el tiristor THa y el
condensador Ca. La impedancia Z2 comprende el condensador Ca y la
inductancia LS1 en serie.
En los modos de realización que acaban de ser
descritos, los componentes semiconductores de apertura accionable
de la rama principal 1 pueden ser unos tiristores de tipo IGCT, los
tiristores simples no convienen ya que se necesita ordenar la
apertura sin esperar un paso de corriente cero.
Ahora, se va a ver el funcionamiento de tal
dispositivo disyuntor haciendo referencia a la figura 2. En estado
normal, es decir, cuando la intensidad de la corriente que circula
en el circuito L que hay que proteger es normal, el elemento
interruptor mecánico 2 está cerrado y el módulo M2 en serie de ayuda
en la conmutación está en estado de paso, es decir, que la célula 5
de corte de semiconductor de apertura accionable está en un estado
de paso. La célula 4 de corte de semiconductor de la rama auxiliar 3
está en un estado de bloqueo. Toda la corriente del circuito L que
hay que proteger atraviesa la rama principal 1 del dispositivo
disyuntor.
En presencia de una sobreintensidad en el
circuito L que hay que proteger y, por lo tanto, en la rama
principal 1 del dispositivo disyuntor según la invención, la célula
5 de corte de semiconductor de apertura accionable del módulo M2 en
serie de ayuda en la conmutación bascula a un estado de bloqueo. La
tensión en los bornes de la impedancia Z1 (varistancia V1) crece
hasta su valor de umbral. La tensión en los bornes del módulo M2 en
serie de ayuda en la conmutación aumenta, oponiéndose la impedancia
Z1 al paso de corriente en la rama principal 1.
La célula 4 de corte de semiconductor de la rama
auxiliar 3 se pone en estado de paso. La corriente que circula en
el circuito L que hay que proteger está desviada a la rama principal
3, lo que devuelve la energía que si no habría sido disipada en la
célula 5 de corte de semiconductor de apertura
\hbox{accionable
de la rama principal 1 con riesgo de destruirla.}
La corriente en el elemento interruptor mecánico
2 tiende a cero y la tensión en sus bornes es nula. El elemento
interruptor mecánico 2 está entonces abierto sin provocar el
establecimiento de un arco eléctrico.
Después de la apertura del elemento interruptor
mecánico 2, la tensión en sus bornes se vuelve inmediatamente igual
a la tensión que estaba presente en los bornes de la impedancia Z2
ya que, anulándose la corriente en la impedancia Z1, la tensión en
sus bornes se vuelve nula. Toda la tensión de la rama auxiliar 3 se
aplica en el elemento interruptor mecánico 2 que está abierto.
La corriente que circula en la rama auxiliar 3
está limitada por la presencia de la impedancia Z2 que se opone a
su paso y el valor máximo de esta corriente se reduce
significativamente. El elemento de tipo condensador C se carga.
Cuando se establece una tensión suficiente en los bornes de la
impedancia Z2, la célula 4 de corte de semiconductor de la rama
auxiliar 3 se pone en estado de bloqueo. El paso al estado de
bloqueo es provocado por el paso a corriente cero en la célula 4 de
corte de semiconductor de la rama auxiliar 3. En modo bidireccional,
se pueden esperar varias alternancias de oscilación del circuito
LC, formado por el módulo M4 en paralelo de ayuda en la conmutación
y por la inductancia del circuito L que hay que proteger, antes de
ordenar la apertura del tiristor TH1 o TH'1 lo que produce una
temporización. Hay una función para limitar la corriente antes del
corte.
En el estado final, el elemento interruptor
mecánico 2 está abierto, la célula 4 de corte de semiconductor de
la rama auxiliar 3 está en el estado de bloqueo así como la célula 5
de corte de semiconductor de apertura accionable del módulo M2 en
serie de ayuda en la conmutación. Ya ninguna corriente circula en el
circuito L que hay que proteger y el dispositivo disyuntor ha
jugado su papel de protección.
El interés de la variante de la figura 3B es
realizar la función de limitación de la corriente en parte mediante
la impedancia de la inductancia auxiliar LA1. Después de la
desconexión en la rama principal 1 y la derivación de la corriente
en la rama 3 en paralelo, una parte de la corriente pasa por la
inductancia auxiliar LA1 antes del corte final por los tiristores
TH1, TH'1 de la célula 4 de corte de semiconductor. Esto permite
disminuir las limitaciones de dimensionamiento en el condensador
C11 que es utilizado en este caso, esencialmente en su papel de
desviación de la corriente de la rama principal 1 hacia la rama 3 en
paralelo.
Con esta estructura, es posible además jugar con
el ángulo de activación de los tiristores TH1, TH'1. En efecto,
durante la fase de conducción en la inductancia auxiliar LA1, una
orden retardada del ángulo de activación de los tiristores permite
limitar la corriente de defecto en el valor deseado. Esto mejora la
función de limitación de la corriente del disyuntor antes de la
apertura.
Ahora se va a comentar, con referencia a las
figuras 6A, 6B, unas curvas que simulan la corriente global A que
atraviesa el dispositivo disyuntor, la corriente B que atraviesa el
elemento interruptor mecánico 2 y la corriente D que atraviesa la
célula 4 de corte de semiconductor de la rama auxiliar 3 en el
momento de la desconexión del dispositivo disyuntor en presencia de
una sobreintensidad en el circuito L que protege. A causa de esta
sobreintensidad, la corriente B en el elemento interruptor mecánico
2 crece hasta un instante t0 que corresponde al instante en que la
célula 5 de corte de semiconductor de apertura accionable del módulo
M2 en serie de ayuda en la conmutación bascula al estado de
bloqueo. Toma entonces un valor en torno a 2500 A. El intervalo de
tiempo entre t0 y el principio de la subida de la corriente B dura
en torno a 100 microsegundos.
La corriente B en el elemento interruptor
mecánico 2 pasa a cero. Este paso a cero lleva cierto tiempo cuando
hay inductancia LS1 en serie en el módulo M4 en paralelo de ayuda en
la conmutación. En el instante t0, la corriente D que atraviesa la
célula 4 de corte de semiconductor de la rama auxiliar 3 es la
corriente que proviene del circuito L desviada de la rama principal
1. Esta corriente D alcanza un máximo (en torno a 5000 A) y después
decrece a causa de la presencia en la impedancia Z2 del elemento
tipo condensador C que se carga. La corriente D termina por
anularse en un instante t1 y la célula 4 de corte de semiconductor
de la rama auxiliar 3 es forzada al estado de bloqueo. El intervalo
de tiempo entre t0 y t1 dura en torno a 450 microsegundos.
La figura 6B, que es una ampliación de la figura
6A en torno al instante t0, representa además el desarrollo de la
tensión E en los bornes del elemento interruptor mecánico 2. Esta
tensión E es nula al mismo tiempo que la corriente B después de t0,
lo que permite abrir el elemento interruptor mecánico 2 sin
engendrar arco eléctrico. Esta apertura se hace en un instante t2.
El intervalo de tiempo entre t0 y t2 dura en torno a 20
microsegundos. A continuación, la tensión E en los bornes del
elemento interruptor mecánico 2 comienza a crecer y alcanza la
tensión que estaba presente en los bornes de la impedancia Z2.
Las ventajas de un dispositivo disyuntor según
la invención son apreciables.
Tal dispositivo disyuntor es capaz de funcionar
tanto en baja tensión A o B como en alta tensión A o B. Estas
tensiones pueden ser tensiones continuas o alternas.
Tal dispositivo disyuntor posee un elemento
interruptor mecánico que puede funcionar en un entorno normal. Eso
significa que puede funcionar sin estar confinado en una cámara de
corte en un ambiente gaseoso apropiado o en el vacío.
Como ningún arco eléctrico aparece en el momento
de la apertura del elemento interruptor mecánico, no hay
degradación del contacto mecánico y por lo tanto, no hay desgaste
importante de las piezas conductoras que forman contacto. El
mantenimiento es reducido, los costes disminuyen. La
reproductibilidad de las operaciones de apertura del elemento
interruptor mecánico está garantizada.
Posee una velocidad de corte que es grande
gracias a la presencia de las células de corte de semiconductor sin
necesitar sin embargo un elemento interruptor mecánico rápido. Por
lo tanto, no hay tecnología nueva de elemento interruptor mecánico
que desarrollar.
Gracias a la presencia del componente
semiconductor de apertura accionable de la rama principal, las
pérdidas por efecto Joule en conducción son reducidas. Puede ser
utilizado un dispositivo de refrigeración pasivo.
Tal dispositivo disyuntor es compacto. Su
volumen es mucho más pequeño que el de las configuraciones con
cámara de corte.
Una temporización es posible en modo
bidireccional ya que es posible que el dispositivo disyuntor híbrido
funcione cierto tiempo con su rama auxiliar 3 en conducción dejando
al circuito LC (formado por el condensador C, por la inductancia
LS1 en serie del módulo M4 en paralelo de ayuda en la conmutación y
por la inductancia del circuito L que hay que proteger) oscilar
antes de cortarlo mediante la célula 4 de corte de semiconductor.
Durante este periodo la corriente está limitada por las impedancias
de la rama auxiliar 3.
Si el corte tiene lugar en el momento de
corriente cero, la energía acumulada en el circuito que hay que
proteger es nula y la disipación de energía es minimizada.
Claims (15)
1. Dispositivo disyuntor que comprende una rama
principal (1) que contiene un elemento interruptor mecánico (2) y
una rama auxiliar (3) que contiene una célula (4) de corte de
semiconductor, estando montada esta rama auxiliar (3) en paralelo
con la rama principal (1), caracterizado porque la rama
principal (1) comprende en serie con el elemento interruptor
mecánico (2) un módulo (M2) en serie de ayuda en la conmutación que
comprende una célula (5) de corte de semiconductor de apertura
accionable en paralelo con una impedancia (Z1) y porque la rama
auxiliar (3) comprende un módulo (M4) en paralelo de ayuda en la
conmutación que comprende una impedancia (Z2), incluyendo esta
impedancia (Z2) al menos un elemento de tipo condensador (C).
2. Dispositivo disyuntor según la reivindicación
1, caracterizado porque la impedancia (Z1) del módulo (M2) en
serie de ayuda en la conmutación es una varistancia (V1).
3. Dispositivo disyuntor según una de las
reivindicaciones 1 ó 2, caracterizado porque la célula (5) de
corte de semiconductor de apertura accionable (M2) comprende al
menos un conjunto (D1, IG2) en serie con un diodo y un tiristor de
tipo IGCT.
4. Dispositivo disyuntor según la reivindicación
3, caracterizado porque comprende dos conjuntos (D1, IG2,
D'1, IG'2) en serie montados en antiparalelo.
5. Dispositivo disyuntor según una de las
reivindicaciones 1 a 4, caracterizado porque la célula (4) de
corte de semiconductor de la rama auxiliar (3) comprende al menos un
tiristor (Tha).
6. Dispositivo disyuntor según la reivindicación
5, caracterizado porque la célula (4) de corte de
semiconductor comprende dos tiristores (TH1, TH'1) montados en
antiparalelo.
7. Dispositivo disyuntor según la reivindicación
5, caracterizado porque la célula (4) de corte de
semiconductor de la rama auxiliar (3) comprende un tiristor (THa) y
un puente de Graetz (D11, D12, D13, D14) que tiene dos diagonales,
formando el tiristor (THa) una diagonal del puente de Graetz,
formando la rama principal (1) la otra diagonal del puente de
Graetz.
8. Dispositivo disyuntor según la reivindicación
7, caracterizado porque la impedancia (Z2) del módulo (M4) en
paralelo de ayuda en la conmutación comprende un condensador (Ca) en
serie con el tiristor (THa).
9. Dispositivo disyuntor según la reivindicación
8, caracterizado porque una inductancia en serie está montada
entre el condensador (Ca) y el tiristor (THa).
10. Dispositivo disyuntor según una de las
reivindicaciones 1 a 6, caracterizado porque la impedancia
(Z2) del módulo (M4) en paralelo de ayuda en la conmutación
comprende un conjunto formado por un condensador (C1) y por una
primera resistencia (R1) montados en paralelo, estando este conjunto
en serie con una segunda resistencia (R2) y con la célula (4) de
corte de semiconductor de la rama auxiliar (3).
11. Dispositivo disyuntor según la
reivindicación 10, caracterizado porque una inductancia (LS1)
en serie está montada en serie con el conjunto y la segunda
resistencia (R2).
12. Dispositivo disyuntor según una de las
reivindicaciones 1 a 6, caracterizado porque el módulo (M4)
en paralelo de ayuda en la conmutación comprende un puente de
Graetz (Pb) que tiene dos diagonales, estando conectado un conjunto
en paralelo con el condensador (C11) y una resistencia (R11) a los
bornes de una primera diagonal del puente de Graetz, estando
conectada una inductancia auxiliar (LA1) a los bornes de la segunda
diagonal, estando unido uno de los bornes de la segunda diagonal a
la célula (4) de corte de semiconductor de la rama auxiliar
(3).
(3).
13. Dispositivo disyuntor según la
reivindicación 12, caracterizado porque una inductancia (LS1)
en serie está montada entre el puente de Graetz (Pb) y la célula (4)
de corte de semiconductor de la rama auxiliar.
14. Dispositivo disyuntor según una de las
reivindicaciones 1 a 13, caracterizado porque el elemento
interruptor mecánico (2) comprende un contacto móvil (2.1) de
arrastre electromagnético de tipo Thomson.
15. Procedimiento de desconexión de un
dispositivo disyuntor según una de las reivindicaciones precedentes,
caracterizado porque consiste, en presencia de una
sobreintensidad en la rama principal (1):
en hacer bascular de un estado de paso a un
estado de bloqueo la célula (5) de corte de semiconductor de
apertura accionable,
en hacer bascular de un estado de bloqueo a un
estado de paso la célula (4) de corte de semiconductor de la rama
auxiliar (3),
después en abrir el elemento interruptor
mecánico (2) que estaba cerrado inicialmente,
y finalmente, tras la aparición de una corriente
cero, en hacer bascular del estado de paso al estado de bloqueo la
célula (4) de corte de semiconductor de la rama auxiliar (3).
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