Prasad Kandula y Marcio Magri Kimpara crearon pruebas de interruptores de circuito de voltaje medio desarrollados por ORNL que usan semiconductores asequibles para proteger los sistemas de la red que usan corriente continua. Crédito: Carlos Jones/Ornl, Departamento de Energía de los Estados Unidos
Los investigadores del Laboratorio Nacional de Oak Ridge del Departamento de Energía están rompiendo barreras técnicas con interruptores de circuitos más rápidos para permitir y proteger la red eléctrica moderna. El equipo de ORNL desarrolló interruptores de circuitos de voltaje medio capaces de manejar niveles crecientes de corriente continua a un costo menor, un avance que puede ayudar a reducir los costos de electricidad futuros y expandir la capacidad en una red de EE. UU.
“La falta de interruptores de circuito de voltaje medio para la corriente continua ha sido un obstáculo para la flexibilidad en la entrega de electricidad”, dijo Prasad Kandula, investigador principal. “El desarrollo de esta tecnología ayuda a mantener la red funcionando de manera segura y confiable, mientras mantiene más energía disponible para apoyar a nuestra creciente población y economía”.
Los interruptores de circuitos son una característica de seguridad desde hace mucho tiempo en la cuadrícula que interrumpe automáticamente el flujo de corriente eléctrica si excede su magnitud prevista o una falla en el sistema permite que la corriente siga una ruta no deseada. Por ejemplo, si una línea de alimentación toca el suelo, un interruptor de circuito mecánico o un fusible puede cortar el flujo de corriente, reduciendo el riesgo de un incendio o un corte de energía.
Los interruptores tradicionales funcionan bien con la corriente alterna, o AC, que es el tipo de electricidad que fluye a través de la mayor parte de la red eléctrica y en los edificios. AC es fácil de interrumpir porque cambia de dirección 60 veces por segundo. Pero la corriente continua, o DC, fluye en una sola dirección.
“Una vez que vas a DC, ese momento ‘Cero Corriente’ se ha ido, y sin él, un interruptor mecánico no es lo suficientemente rápido como para detener una falla antes de que el calor se acumule y comience un fuego”, dijo Kandula, quien lidera el grupo de hardware de los sistemas de cuadrícula de Ornl.
Para abordar este problema, los investigadores de ORNL están diseñando y ampliando la capacidad de un nuevo tipo de interruptor de circuito basado en semiconductores, que puede funcionar cien veces más rápido que los interruptores mecánicos. Esto permite un uso más amplio de DC en la cuadrícula eléctrica, a medida que se vuelve más atractivo para los diseñadores de sistemas de energía por su eficiencia, flexibilidad y compatibilidad con las fuentes y cargas de energía modernas.
Los sistemas DC pueden proporcionar electricidad más asequible para proyectos de desarrollo económico intensivo en energía, como los centros de datos de IA. Esto se debe a que DC fluye con menos resistencia a través de líneas eléctricas, perdiendo menos energía en el tránsito. Se evitan pérdidas adicionales cuando la corriente no tiene que convertirse entre la electrónica de potencia basada en DC y una cuadrícula basada en AC.
Cuando estos factores se toman en conjunto, un sistema de DC solo desperdicia menos potencia, aumentando la capacidad de la red eléctrica y la reducción de los costos de energía, mientras que apoya mejor los flujos de energía multidireccionales de la red moderna.
Los interruptores de circuitos de voltaje medio son críticos para hacer realidad la distribución de energía de CC. Los sistemas DC dependen de la electrónica de potencia de acción rápida, que requieren una protección igualmente rápida. Los semiconductores ofrecen velocidad y mayor seguridad para los sistemas DC. Los interruptores mecánicos tradicionales dependen de una brecha física que es menos efectiva para detener la DC, que es capaz de desgarrar a través de una brecha en un arco de energía explosiva. Para evitar la posibilidad de arco, la corriente se puede enrutar a través de un dispositivo basado en semiconductores, reduciendo significativamente los riesgos de seguridad y incendios forestales.
Hasta ahora, los interruptores de semiconductores han sido demasiado caros para competir económicamente con interruptores mecánicos para AC, o para facilitar el uso ampliado de las redes de CC. Ningún tipo de interruptor comercial puede manejar DC por encima de 2,000 voltios, y la mayoría no puede lograr la mitad de eso.
Kandula y su equipo se propusieron encontrar una solución rentable para llenar este vacío de rendimiento. Se centraron en un semiconductor más antiguo y aceptado en la industria llamado tiristor. “Seleccionamos una tecnología base que era robusta, eficiente y económica”, dijo Kandula. Los tiristores son lo suficientemente asequibles como para que los interruptores basados en semiconductores sean competitivos por primera vez.
Los tiristores no se pueden “apagar” directamente, por lo que el equipo también tuvo que diseñar un circuito externo para reducir por la fuerza la corriente. En el Centro de Innovación y Desarrollo de Investigación Grid de Ornl, o Grid-C, Ingenieros construido y probado un prototipo de interruptor de circuito Para interrumpir una corriente a 1.400 voltios en menos de 50 microsegundos, cuatro a seis veces más rápido de lo que se había demostrado con tiristores previamente. El trabajo se publica en la revista 2024 IEEE Energy Conversion Congress and Exposition (ECCE).
Para demostrar que la tecnología podría ampliarse para manejar voltajes más altos, los investigadores conectaron los interruptores en una serie, lo que significa uno tras otro a lo largo de la misma ruta eléctrica. Este enfoque viene con varios desafíos técnicos: primero, el voltaje debe compartirse uniformemente en todos los interruptores, para evitar que cualquier dispositivo solo se sobrecargue y falle. En segundo lugar, crear una serie de interruptores no debe retrasar el rápido tiempo de reacción del sistema.
Los investigadores de ORNL diseñaron soluciones y las probaron en una serie de interruptores que operan hasta una capacidad de prueba de 1.800 voltios. Ya están trabajando para agregar a la serie para finalmente ampliar hasta 10,000 voltios, anticipando las mayores demandas de energía de las futuras redes de CC.
Más información: Rajendra P. Kandula et al, voltaje medio basado en SCR DC Circuiter de estado sólido, 2024 Congreso de conversión de energía IEEE y exposición (ECCE) (2025). Dos: 10.1109/ECCE55643.2024.10860928
Proporcionado por el Laboratorio Nacional de Oak Ridge
Cita: el interruptor de circuito de voltaje medio desbloquea la abundancia de electricidad, los ahorros (2025, 4 de agosto) Recuperado el 4 de agosto de 2025 de https://techxplore.com/news/2025-08-medium-voltage-circuit-breaker-electricity.html
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