Supresión de arcos en relés de corriente continua para sistemas de almacenamiento de energía

Introducción al conmutador de corriente continua de alta tensión en energías renovables

La transición global hacia las energías renovables ha impulsado un crecimiento sin precedentes en instalaciones solares a escala de servicios públicos, parques eólicos y sistemas de almacenamiento de energía por baterías (BESS, por sus siglas en inglés). Estos modernos sistemas eléctricos dependen en gran medida de arquitecturas de corriente continua (CC) de alta tensión para maximizar la eficiencia de transmisión e integrarse perfectamente con la química de las baterías. Sin embargo, la gestión de la electricidad en corriente continua de alta tensión plantea importantes desafíos de ingeniería que difieren fundamentalmente de los sistemas tradicionales de corriente alterna (CA). Para los directores de compras B2B y los gestores de proyectos eléctricos, la selección de componentes de seguridad y control para aplicaciones en CC requiere una especialización técnica específica. Entre dichos componentes, los relés de CC de alta tensión (conocidos comúnmente como contactores de CC) son fundamentales para el aislamiento del sistema, la precarga y las desconexiones de emergencia. Al conmutar circuitos de CC de alta tensión, la generación de un arco eléctrico es un fenómeno físico inevitable. Sin mecanismos altamente eficaces de supresión de arcos, estos relés pueden sufrir daños catastróficos, lo que representa un grave riesgo para la seguridad de toda la instalación de almacenamiento de energía. Comprender la necesidad crítica de la supresión de arcos es clave para adquirir componentes de conmutación fiables y duraderos para proyectos de energías renovables.

P: ¿Por qué es necesaria la 'supresión de arcos' en los relés de corriente continua (CC) de los sistemas de almacenamiento de energía renovable?

Respuesta:

La supresión de arcos es absolutamente necesaria en los relés de corriente continua (CC) de los sistemas de almacenamiento de energía renovable porque la corriente continua carece del punto natural de cruce por cero presente en la corriente alterna (CA). Cuando los contactos de un circuito de CA se abren, la corriente cae a cero dos veces por ciclo, extinguiendo de forma natural cualquier arco eléctrico. En cambio, la corriente continua mantiene un nivel de tensión y corriente continuo e ininterrumpido, lo que provoca la formación de un arco eléctrico altamente estable e intenso entre los puntos de contacto al separarse. Sin una supresión rápida y eficaz del arco, este arco persistente, que puede alcanzar temperaturas superiores a varios miles de grados Celsius, fundirá los contactos, los soldará en posición cerrada, degradará el aislamiento circundante y podría provocar explosiones físicas catastróficas o incendios eléctricos dentro del cuadro de control.

La física de la formación de arcos en CC frente a CA

Para comprender plenamente la importancia de la supresión del arco, es necesario examinar el comportamiento físico de los arcos eléctricos en circuitos de corriente alterna (CA) y corriente continua (CC).

En un sistema de corriente alterna, el voltaje y la corriente cambian de dirección periódicamente (típicamente cincuenta o sesenta veces por segundo). Esto significa que, cada diez milisegundos (en un sistema de cincuenta hercios), el voltaje instantáneo cae a cero. Cuando los contactos de un circuito de CA el relé se abren, se forma un arco; sin embargo, tan pronto como la forma de onda de CA alcanza su siguiente punto de cruce por cero, el arco pierde su voltaje impulsor y se extingue de forma natural. Esto hace que la gestión del arco en CA sea relativamente sencilla y permite que los relés de CA sean físicamente más pequeños y más simples.

En un sistema de corriente continua (CC), el voltaje es constante y continuo; no existen puntos de cruce por cero. Cuando los contactos de un relé de CC comienzan a separarse, la distancia entre ellos es mínima. Dado que el voltaje es elevado (normalmente oscila entre cuatrocientos voltios y más de mil quinientos voltios en los sistemas modernos de almacenamiento de energía en baterías), la intensidad del campo eléctrico a través de esta pequeña distancia es inmensa. Este campo ioniza las moléculas de aire, convirtiéndolo en un canal de plasma altamente conductor: un arco eléctrico.
Una vez formado, el arco de CC persistirá mientras la fuente de voltaje sea capaz de superar la resistencia del canal de plasma. El arco actúa como un conductor eléctrico altamente eficiente, continuando con la conducción de la corriente del circuito incluso cuando los contactos están físicamente separados. Para extinguir este arco, el relé debe estirar, enfriar o apagar físicamente el canal de plasma de forma extremadamente rápida.

Consecuencias del arco no suprimido en los sistemas de almacenamiento de energía en baterías

Cuando un relé de corriente continua carece de una supresión adecuada del arco, las consecuencias de la separación de los contactos bajo carga son graves e inmediatas:

• Erosión y degradación de los contactos: El intenso calor del arco no suprimido funde el metal en la superficie de los contactos. Esto provoca una transferencia rápida de material, picaduras y oxidación. Tras unas pocas decenas de operaciones, la resistencia de contacto aumenta drásticamente, lo que hace que el relé se sobrecaliente durante su funcionamiento normal.
  
• Soldadura de los contactos: Si el arco persiste cuando los contactos vuelven a cerrarse, o si el calor local es suficientemente elevado, las superficies de los contactos fundidos pueden fusionarse al cerrarse. Una vez que se produce una soldadura entre los contactos, el relé ya no puede abrirse, lo que anula su función como dispositivo de desconexión de aislamiento o seguridad. Este es un modo de fallo crítico en los sistemas de almacenamiento de baterías, donde la capacidad de aislar una cadena de baterías con falla es fundamental.
  
• Cortocircuitos entre fases o entre fase y tierra: El gas ionizado generado por un arco de larga duración es altamente conductor. Si este gas conductor escapa de la cámara de contención del relé, puede cerrar el hueco hasta componentes adyacentes o hasta la carcasa metálica, provocando un cortocircuito devastador.
  
• Riesgos de incendio y explosión: El arco continuo puede calentar la carcasa de plástico del relé por encima de su punto de ignición, lo que da lugar a incendios localizados que pueden propagarse a los módulos de baterías de iones de litio, los cuales son muy sensibles a la propagación térmica.
  

Tecnologías modernas de supresión de arcos en relés de corriente continua industriales

Para combatir estos riesgos, los fabricantes de relés de corriente continua de alta tensión emplean varias tecnologías altamente sofisticadas de supresión de arcos:

• Bobinas magnéticas de extinción: Esta tecnología utiliza potentes imanes permanentes o bobinas electromagnéticas colocadas adyacentes a los contactos. Cuando se forma un arco, el campo magnético ejerce una fuerza de Lorentz sobre las partículas cargadas del plasma, empujando y desviando físicamente el arco lejos de las superficies de contacto. Esto alarga el arco, aumenta su resistencia eléctrica y lo obliga a entrar en las cámaras de extinción de arcos.
  
• Cámaras de extinción de arcos y divisores: Las cámaras de extinción de arcos consisten en una serie de placas paralelas de cerámica o metal. A medida que la fuerza magnética de extinción impulsa el arco hacia la cámara, este se divide en varios arcos más pequeños. Esto incrementa el voltaje total necesario para mantener el arco y enfría rápidamente el plasma, provocando su extinción.
  
• Sellado hermético y llenado con gas: Muchos relés de corriente continua (CC) de alta potencia están sellados herméticamente en un envoltorio de cerámica o vidrio y rellenos con una mezcla especializada de gases, como hidrógeno de alta pureza o nitrógeno a presión. El hidrógeno posee una conductividad térmica extremadamente elevada, lo que le permite enfriar y desionizar el plasma del arco mucho más rápidamente que el aire, extinguiendo el arco casi instantáneamente.
  
• Diseños de contactos de doble apertura: En lugar de un único puente móvil de contacto, los relés de doble apertura abren el circuito en dos puntos separados de forma simultánea. Esto efectivamente duplica la distancia del arco y divide la caída de tensión entre dos arcos, lo que facilita considerablemente su extinción.
  

Adquisición de relés de CC de alto rendimiento: La ventaja DAQCN

Para los gestores de compras B2B, la adquisición de relés de corriente continua (CC) con supresión de arco probada y fiable es imprescindible. En DAQCN, hemos desarrollado una línea especializada de contactores y relés de alta tensión en CC, diseñados específicamente para satisfacer los exigentes requisitos de los sistemas de almacenamiento de energía renovable y de las infraestructuras de carga para vehículos eléctricos.

Los relés de CC de DAQCN utilizan una combinación de sistemas magnéticos permanentes de soplado de alta resistencia y cámaras de extinción de arco de cerámica robusta. Nuestros modelos premium están sellados herméticamente y rellenos con gas a alta presión para garantizar una extinción extremadamente rápida del arco, incluso en escenarios de desconexión de emergencia bajo carga nominal.

Al elegir DAQCN, los gestores de proyectos pueden asegurarse de que sus sistemas de almacenamiento de baterías estén protegidos por relés diseñados para soportar las tensiones únicas de la corriente continua, maximizando la seguridad y garantizando el cumplimiento de normas internacionales como UL 60947-4-1 e IEC 60947-4-1.

Conclusión y recomendaciones para la adquisición

Al diseñar y adquirir sistemas para el almacenamiento de energía renovable, nunca se debe comprometer la seguridad del conmutador de corriente continua (CC). La realidad física de la electricidad en CC hace que la supresión de arcos sea una necesidad vital para prevenir la soldadura por contacto, daños en los equipos e incendios eléctricos. Al evaluar a los proveedores, los directores de compras deben verificar que los relés de CC especificados cuenten con extinción magnética de arcos integrada, cámaras de extinción de arcos robustas o sellado hermético con gas. Establecer una asociación con un fabricante especializado como DAQCN garantiza que sus instalaciones estén equipadas con tecnología de conmutación de CC de vanguardia, asegurando así la seguridad, fiabilidad y durabilidad de su inversión en energía renovable.