CONMUTADOR HIBRIDO DE REGULACION EN CARGA Y METODO PARA ACCIONAR EL MISMO.

Un conmutador híbrido de regulación en carga, para su uso en transmisión de corriente alterna de alto voltaje,

que comprende: un selector (72); 5 un derivador (74) con dos patas (80, 82) que definen respectivas trayectorias de corriente, incluyendo cada pata una pareja de interruptores opuestos primero y segundo (84, 86) de semiconductor; y un controlador (76) configurado para activar uno de los 10 interruptores de semiconductor primero o segundo de una pata dada en un momento predeterminado del ciclo de corriente alterna, de modo que se corte un interruptor de semiconductor deseado de la otra pata, caracterizado porque incluye un amortiguador (88) dispuesto 15 en paralelo con cada pareja de interruptores de semiconductor primero y segundo

Esta invención se refiere en particular, aunque no exclusivamente, a un conmutador "híbrido" de regulación en carga para su uso en transmisión de corriente alterna de alto voltaje, y a un procedimiento para accionar dicho conmutador de 5 regulación.

La transmisión de potencia se caracteriza por niveles de voltaje de corriente alterna (AC) superiores a 200 kV, junto con altos niveles de voltajes y corrientes de arranque y transitorias. Estas condiciones de funcionamiento imponen 10 exigencias particulares en los requerimientos de aislamiento de los componentes utilizados en dicha transmisión.

Un conmutador de regulación es un dispositivo acoplado a un transformador para regular el voltaje de salida del transformador a un nivel requerido. Tal regulación se consigue 15 normalmente mediante la conexión selectiva a una toma concreta del transformador, controlando por lo tanto el número de vueltas de la porción activa del bobinado primario o secundario.

Un conmutador de regulación en carga se diseña para funcionar mientras conduce corriente y requiere que no se 20 interrumpa el flujo de corriente al cambiar de toma.

En la figura 1 se muestra un esquema simplificado de un conmutador de regulación convencional. El conmutador convencional 10 de regulación incluye un primer selector 12 y un primer derivador 18 conectados en serie con un bobinado primario 25 14 de un transformador 16. El primer selector 12 y el primer derivador 18 dependen de un aislamiento por aceite para conseguir los niveles de aislamiento entre contactos requeridos por los voltajes de transformadores de potencia más elevados.

El primer derivador 18 tiene dos patas 20, 22, cada una de 30 las cuales define una trayectoria de corriente respectiva, y un primer interruptor electromecánico 24. El primer interruptor electromecánico 24 conecta selectivamente una pata 20 o la otra pata 22 con el bobinado primario de modo que conecta selectivamente una toma dada, elegida por el selector, con el 35

bobinado primario 14, regulando por lo tanto el voltaje de salida del transformador al nivel requerido.

Con el fin de evitar una interrupción del flujo de corriente a través del bobinado primario 14 durante un cambio de toma, el primer interruptor electromecánico 24 tiene una 5 posibilidad de "cierre antes de apertura", mediante la cual el interruptor puentea momentáneamente ambas patas 20, 22, como se muestra en la figura 1. Cuando dicho puente se establece o rompe tiene lugar un elevado nivel de formación de arcos.

La formación de arcos conduce a la degradación de las 10 propiedades aislantes del aceite de aislamiento en el que se ubica el primer derivador 18. Esto da como resultado la necesidad de segregar aceite para el primer derivador del aceite del transformador principal, y asimismo la necesidad de remplazar el aceite del derivador regularmente. 15

Una variante de este montaje utiliza un interruptor en vacío accionado mecánicamente para limitar la formación de arcos y de este modo reducir la necesidad de mantenimiento. Sin embargo, la inclusión de un interruptor en vacío accionado mecánicamente añade complejidad, lo que a su vez aumenta el 20 coste de capital de dicho equipo. Además, es necesario reemplazar los interruptores en vacío accionados mecánicamente a intervalos regulares.

En cada uno de los montajes anteriormente mencionados, el tiempo necesario para cada cambio de toma es de, 25 aproximadamente, 5 segundos, de los cuales accionar el primer derivador 18 toma 150 ms. Como resultado, un conmutador convencional 10 de regulación tardaría, por ejemplo, más de 2 minutos y 15 segundos en llevar a cabo un cambio paso a paso en un intervalo de toma de -12 a +12. 30

Los interruptores de semiconductor resultan atractivos por su capacidad de activarse rápidamente tras un comando electrónico bien definido, y de ser cortados, esto es, apagarse, sin formación de arcos.

La pérdida de potencia y el nivel de corrientes de arranque 35

presentes en sistemas de transmisión de potencia se traducen en que es deseable aislar dichos interruptores de semiconductor de dichos sistemas durante el funcionamiento en régimen permanente utilizando, por ejemplo, un interruptor electromecánico.

Por consiguiente, es conocido combinar interruptores de 5 semiconductor con interruptores electromecánicos para crear un denominado conmutador de regulación en carga "híbrido", como se muestra en la figura 2. Dicho conmutador híbrido 30 de regulación en carga, conocido, se describe por ejemplo en el documento EP 1.619.698. Éste incluye un segundo selector 32 y un 10 segundo derivador 34 (indicados por las líneas discontinuas) dispuestos en serie, por ejemplo, en el bobinado primario 14 de un transformador 16. El conmutador híbrido 30 de regulación incluye asimismo un primer controlador 36 para controlar el funcionamiento del segundo derivador 34. 15

El segundo selector 32 incluye varias tomas 38, tres en el ejemplo mostrado, e interruptores S1, S2, S3 para seleccionar una toma 38 concreta. El segundo selector 32 puede incluir asimismo dos segundos interruptores electromecánicos S4, S5 para aislar selectivamente una pata dada del segundo derivador 34, 20 para circunvalar los dispositivos semiconductores en el mismo.

El segundo derivador 34 tiene dos patas 40, 42 cada una de las cuales define una respectiva trayectoria de corriente. Cada pata 40, 42 incluye una pareja de interruptores de semiconductor 44, 46 primero y segundo opuestos. Los interruptores de 25 semiconductor 44, 46 están dispuestos para establecer selectivamente una trayectoria de flujo de corriente en una pata 40, 42 dada del segundo derivador 34.

Un tipo deseable de interruptor de semiconductor es un tiristor 48, 50. Dichos dispositivos son aptos para alto voltaje 30 y corriente, poseen una elevada fiabilidad y pueden funcionar con una temperatura de unión superior a 150 °C. Además, son conmutables mediante un transformador de pulso, por lo que se elimina la necesidad de una fuente de alimentación auxiliar, aislada. Además, se encuentran disponibles fototiristores que 35

son conmutables mediante un pulso de un diodo láser canalizado a través de un cable de fibra óptica.

Sin embargo, a pesar de las anteriores ventajas, una desventaja del tiristor es que continúa conduciendo hasta que se retira la corriente de ánodo. Esto provoca problemas para cortar 5 dicho dispositivo.

Un procedimiento para cortar un tiristor es utilizar la denominada "conmutación natural". Durante la conmutación natural, tiene lugar de modo natural la retirada de la corriente de ánodo como resultado de, por ejemplo, la fluctuación durante 10 un ciclo AC en el cual la corriente de ánodo cruza el cero, esto es, es retirada. Por consiguiente, es posible permitir que un tiristor en una pata 40, 42 se recupere a una condición de no conducción antes de activar un tiristor en la otra pata 40, 42.

Sin embargo, los tiristores tienden a recuperarse 15 lentamente, lo que da como resultado un retardo durante el cual ninguna de las patas 40, 42 es capaz de proporcionar una trayectoria de flujo de corriente. Como resultado, es necesario puentear las patas con componentes pasivos voluminosos y caros con el fin de proporcionar el flujo continuo de corriente 20 necesario, esto es, para evitar una interrupción del flujo de corriente. La duración de esta recuperación (de aproximadamente 0,6 ms) es tal que estos componentes pasivos deben ser lo suficientemente grandes (y consecuentemente voluminosos y costosos) para derivar la corriente y mantener el voltaje en un 25 nivel dentro de las especificaciones del tiristor.

Un segundo procedimiento de cortar un tiristor emplea la denominada "conmutación forzada resonante". La conmutación forzada resonante implica llevar a cabo la acción de retirar o derivar la corriente de ánodo para permitir que el tiristor se 30 recupere a una condición de no conducción.

Sin embargo, tal procedimiento requiere asimismo del puenteo de las patas 40, 42 con componentes pasivos voluminosos y caros con el fin de proporcionar un flujo de corriente continuo. 35

El volumen de los componentes de puenteo necesarios en cada uno de los procedimientos anteriores provoca problemas en la instalación. Además, su elevado coste aumenta el coste global de tal conmutador de regulación híbrido hasta un nivel comercialmente inaceptable. 5

Otro tipo...

1. Un conmutador híbrido de regulación en carga, para su uso en transmisión de corriente alterna de alto voltaje, que comprende:

un selector (72); 5

un derivador (74) con dos patas (80, 82) que definen respectivas trayectorias de corriente, incluyendo cada pata una pareja de interruptores opuestos primero y segundo (84, 86) de semiconductor; y

un controlador (76) configurado para activar uno de los 10 interruptores de semiconductor primero o segundo de una pata dada en un momento predeterminado del ciclo de corriente alterna, de modo que se corte un interruptor de semiconductor deseado de la otra pata,

caracterizado porque incluye un amortiguador (88) dispuesto 15 en paralelo con cada pareja de interruptores de semiconductor primero y segundo.

2. Un conmutador híbrido de regulación en carga de acuerdo con la reivindicación 1, en el que el elemento de protección es un inductor dispuesto en serie entre cada pareja de interruptores 20 de semiconductor primero y segundo y el selector.

3. Un conmutador híbrido de regulación en carga de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que cada pata incluye además un condensador dispuesto en paralelo con un interruptor aislante electromecánico correspondiente del 25 selector.

4. Un conmutador híbrido de regulación en carga de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que cada pata incluye además un limitador de sobretensión dispuesto en paralelo con un interruptor aislante electromecánico 30 correspondiente del selector.

5. Un conmutador híbrido de regulación en carga de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que el selector incluye dos interruptores aisladores electromecánicos para aislar selectivamente una pata respectiva del derivador de 35

modo que se circunvalen los interruptores de semiconductor del mismo.

6. Un conmutador híbrido de regulación en carga de acuerdo con la reivindicación 5, en el que cada interruptor aislante electromecánico del selector incluye una inducción dispuesta en 5 serie con el mismo.

7. Un procedimiento para el funcionamiento de un conmutador híbrido de regulación en carga, durante transmisión de corriente alterna de alto voltaje, que comprende las etapas de:

i. disponer un selector (72); 10

ii. disponer un derivador (24) con dos patas (80, 82), definiendo cada una de ellas una trayectoria de corriente respectiva; y

iii. proporcionar a cada pata de una pareja (P1, P2) de interruptores de semiconductor primero y segundo opuestos 15 (84, 86);

caracterizado porque dicho procedimiento comprende además la siguiente etapa de:

iv. activar selectivamente uno de los interruptores de semiconductor primero o segundo de una pata dada en un 20 momento predeterminado del ciclo de corriente alterna de modo que se corte un interruptor de semiconductor deseado en la otra pata,

y porque el momento predeterminado en el que los interruptores de semiconductor (84, 86) son accionados es 25 justo antes de que aparezca un voltaje cero a través de los terminales de toma.

8. Un procedimiento de funcionamiento de un conmutador híbrido de regulación en carga de acuerdo con la reivindicación 7, en el que la etapa (iii) incluye disponer una inducción en serie entre 30 cada pareja de interruptores de semiconductor primero y segundo y el selector.

9. Un procedimiento de funcionamiento de un conmutador híbrido de regulación en carga de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 8 a 10, que incluye además la etapa de disponer 35

un condensador de modo que se sitúe en paralelo con un interruptor aislante electromecánico correspondiente del selector.

10. Un procedimiento de funcionamiento de un conmutador híbrido de regulación en carga de acuerdo con cualquiera de las 5 reivindicaciones 8 y 11, que incluye además la etapa de disponer un limitador de sobretensión de modo que se sitúe en paralelo con un interruptor aislante electromecánico correspondiente del selector.

11. Un procedimiento de funcionamiento de un conmutador híbrido 10 de regulación en carga de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 8 a 12, que incluye además la etapa de proporcionar a cada interruptor aislante electromecánico del selector de una inducción dispuesta en serie con el mismo.