Qué hace esencial un interruptor de vacío en aplicaciones de alta tensión

Rendimiento incomparable de extinción del arco de los VCB en alta tensión

Cómo los interruptores de vacío logran la interrupción en corriente cero y una rápida recuperación dieléctrica

Los interruptores de vacío, o VCB por sus siglas en inglés, funcionan extinguiendo los arcos eléctricos de forma muy rápida, normalmente en tan solo uno o dos cruces por cero de la corriente, lo que suele tardar menos de diez milisegundos. Dado que no hay ningún medio ionizable dentro del vacío, una vez que la corriente cae a cero, el arco prácticamente no puede reencenderse. Esto significa que efectivamente logramos lo que se denomina interrupción verdadera en cero corriente. El propio vacío recupera su capacidad aislante a una velocidad impresionante de aproximadamente 10 a 20 kilovoltios por microsegundo, lo cual supera ampliamente tanto al aire ambiente como al gas hexafluoruro de azufre. Los contactos internos de estos interruptores están fabricados con materiales especiales, como aleaciones de cobre-cromo, que ayudan a controlar los electrones emitidos durante los arcos y a contener los vapores metálicos, reduciendo así el desgaste de los contactos. Gracias a todo ello, los interruptores de vacío actuales pueden soportar más de 100 000 operaciones antes de requerir cualquier tipo de mantenimiento. Esto los convierte en una solución especialmente valiosa para gestionar sobretensiones repentinas y fallos en sistemas de alta tensión, donde la fiabilidad es absolutamente crítica.

VCB frente a interruptor de aire (ACB) frente a interruptor con SF6: comparación de la rigidez dieléctrica a 10–35 kV

Los VCB ofrecen una resistencia dieléctrica superior en aplicaciones de media tensión gracias a la independencia ambiental del vacío, a diferencia del SF6, sensible a la presión, o del aire, dependiente de la atmósfera. Esta consistencia permite una protección compacta y de alta fiabilidad en subestaciones y plantas industriales que operan a 10–35 kV.

Por Informes de ingeniería de alta tensión (2024) , los interruptores al vacío (VCB) alcanzan una tasa de éxito del 98 % en la eliminación de fallos a 35 kV, superando a los interruptores de aire (ACB) en un 32 % y a los interruptores con SF6 en un 17 % en métricas de fiabilidad.

Diseño compacto y escalable posibilitado por la elevada rigidez dieléctrica intrínseca de los interruptores al vacío (VCB)

Rigidez dieléctrica del vacío (~40 kV/cm) y su impacto en la reducción del tamaño de los interruptores al vacío (VCB) en distintas clases de tensión

El vacío tiene una impresionante rigidez dieléctrica de aproximadamente 40 kV por centímetro. Esto equivale, grosso modo, a unas 13 veces más que el aire normal y cerca de cinco veces más que el gas SF6. Debido a esta propiedad superior, los interruptores automáticos de vacío pueden tener contactos significativamente más cercanos entre sí en comparación con los modelos tradicionales de interruptores automáticos de corriente alterna (ACB) o de gas SF6, según una investigación publicada el año pasado por la Sociedad de Ingeniería Eléctrica de IEEE. Los interruptores automáticos de vacío funcionan bien en un amplio rango de voltajes, desde tan solo 1 kilovoltio hasta 38 kilovoltios, y aun así logran mantener dimensiones relativamente reducidas. Estas ventajas se traducen en ahorros reales de materiales y ofrecen una flexibilidad muy necesaria durante la instalación. Para los ingenieros que trabajan en la actualización de antiguos sistemas eléctricos, estas dimensiones compactas marcan una gran diferencia al operar en espacios reducidos, donde con frecuencia se limita el tipo de equipo que realmente puede instalarse dentro de las instalaciones existentes.

Ahorro real de espacio: Integración de VCB en paneles de interruptores de 11 kV conformes con la norma IEC 62271-100

En la práctica, los paneles de interruptores de 11 kV basados en VCB y conformes con la norma IEC 62271-100 requieren un 35 % menos de superficie en planta que los paneles tradicionales con SF₆, sin comprometer su capacidad de protección. Esta eficiencia resulta fundamental en subestaciones urbanas ante el constante aumento de los costos del suelo.

Estas ganancias dimensionales favorecen una distribución de energía de mayor densidad en centros comerciales y parques industriales, donde los valores del suelo superan los 740 000 USD por acre (Instituto Ponemon, 2023). Asimismo, los plazos de instalación se acortan entre 2 y 3 días por unidad debido a la manipulación y cableado simplificados.

Fiabilidad a largo plazo y bajo costo total del ciclo de vida de los VCB

Interruptores de vacío sellados de por vida: MTBF > 100 000 operaciones y requisitos mínimos de mantenimiento

Los interruptores de vacío (VCB) destacan por su notable fiabilidad a lo largo del tiempo, gracias a los interruptores de vacío que están completamente sellados contra la humedad, las partículas de polvo y los efectos de oxidación. De hecho, su diseño permite alcanzar un impresionante tiempo medio entre fallos (MTBF) de más de 100 000 operaciones. Esto supera ampliamente a los antiguos interruptores de aire (ACB) y a los interruptores con gas SF₆, que requieren una atención constante para tareas como rellenar fluidos, limpiar contactos o verificar los niveles de gas. Lo que hace aún más atractivos a los VCB es que su mantenimiento se limita prácticamente a inspecciones mecánicas ocasionales durante las revisiones periódicas. Esto reduce los costos operativos en torno al 70 % en la práctica. Según los análisis del costo del ciclo de vida (LCCA), la mayoría de los estudios indican que, pese a su precio inicial más elevado, los VCB suelen amortizarse en un plazo de tres a cinco años. Para quienes trabajan con sistemas de alta tensión, donde la durabilidad del equipo es fundamental, el tiempo de inactividad del sistema debe minimizarse y los costos totales deben mantenerse bajo control, los VCB resultan financieramente más sensatos a largo plazo.

Papel fundamental de los interruptores de vacío (VCB) para mejorar la resiliencia de la red y la contención de fallos

Unidades de derivación en anillo (RMU) basadas en interruptores de vacío (VCB) en la distribución urbana de alta tensión: métricas de resiliencia de la red nacional del Reino Unido

Las unidades de anillo (RMU) equipadas con interruptores de vacío (VCB) se han convertido en componentes esenciales en las redes urbanas actuales de distribución de alta tensión. Estas unidades pueden interrumpir fallos en fracciones de ciclo y estabilizar rápidamente las redes cuando ocurren problemas. ¿La razón? El vacío ofrece propiedades de recuperación dieléctrica extraordinariamente rápidas, lo que evita que los cortes de energía se propaguen por zonas densamente pobladas con cargas eléctricas elevadas. Un análisis de datos recientes de la red nacional del Reino Unido desde principios de 2020 revela algo interesante: en las ciudades donde se han desplegado estas RMU equipadas con VCB, la duración media de los cortes ha disminuido de forma impresionante un 42 %. Otra ventaja importante es su reducido tamaño, lo que las hace ideales para su instalación en espacios reducidos de subestaciones, donde el espacio es un recurso escaso. Además, al requerir prácticamente ningún mantenimiento, permanecen operativas incluso durante condiciones meteorológicas extremas que inhabilitarían otros equipos. Actualmente, estas unidades cubren más del 80 % de todas las interrupciones por fallo en entornos urbanos, mejorando significativamente indicadores clave de fiabilidad, como el SAIDI y el SAIFI. Para los planificadores urbanos centrados en construir infraestructuras resilientes, esto significa una mayor calidad del servicio tanto para los residentes como para las empresas.