Investigadores del Laboratorio Nacional de Oak Ridge (ORNL) del Departamento de Energía de EE.UU. están superando barreras técnicas desarrollando disyuntores más rápidos para apoyar y proteger la red eléctrica moderna. El disyuntor de media tensión desarrollado por ORNL puede manejar mayores niveles de corriente continua a menor costo, ayudando a reducir costos eléctricos futuros y ampliar la capacidad de la sobrecargada red estadounidense.

El investigador principal, Prasad Kandula, declaró: “La falta de disyuntores de media tensión para corriente continua ha sido un gran obstáculo para la flexibilidad en la transmisión de energía. Desarrollar esta tecnología ayuda a garantizar que la red funcione de forma segura y fiable mientras proporciona más energía para nuestra creciente población y economía”.

Los disyuntores son dispositivos de seguridad de larga data en la red: interrumpen automáticamente el flujo cuando la corriente supera lo esperado o toma un camino no deseado. Por ejemplo, ante un cortocircuito a tierra, un disyuntor mecánico o fusible corta la corriente, reduciendo riesgos de incendio o apagones.

Los disyuntores tradicionales funcionan con corriente alterna (AC), dominante en la red y en edificios, fácil de interrumpir porque cambia de dirección 60 veces por segundo. La corriente continua (DC) fluye solo en una dirección.

“Con corriente continua desaparecen los momentos de ‘cero corriente’, sin los cuales un interruptor mecánico no puede detener rápidamente una falla, evitando acumulación de calor y posibles incendios”, explicó Kandula, líder del grupo de hardware de sistemas de red de ORNL.

Para resolverlo, los investigadores de ORNL están diseñando y escalando un nuevo disyuntor semiconductor que opera cien veces más rápido que los mecánicos. Esto facilita el uso de corriente continua, más atractiva para diseñadores de sistemas energéticos por su eficiencia, flexibilidad y compatibilidad con fuentes y cargas modernas.

Los sistemas DC pueden suministrar electricidad más económica a proyectos intensivos como centros de datos de IA, con menos resistencia en líneas y menores pérdidas por no requerir conversiones AC-DC. En conjunto, los sistemas DC desperdician menos energía, aumentan capacidad de la red, reducen costos y soportan mejor el flujo multidireccional de la red moderna.

Los disyuntores de media tensión son esenciales para distribución DC. Los sistemas DC dependen de electrónica de potencia de respuesta rápida, que a su vez necesita protección igualmente rápida. Los disyuntores semiconductores ofrecen velocidad y mayor seguridad. Los mecánicos tradicionales dependen de separación física, menos efectiva con DC, que puede generar arcos de alta energía. Los dispositivos semiconductores desvían la corriente, reduciendo significativamente riesgos de seguridad e incendios forestales.

Hasta ahora, los disyuntores semiconductores eran demasiado caros para competir con los mecánicos AC o impulsar redes DC. Ningún disyuntor comercial maneja más de 2000 V DC, y la mayoría ni siquiera la mitad.

Kandula y su equipo buscaron una solución económica cerrando la brecha de rendimiento. Se centraron en un semiconductor más antiguo y reconocido: el tiristor. “Elegimos una tecnología base robusta, eficiente y de bajo costo”, dijo Kandula. Los tiristores son lo suficientemente baratos como para que los interruptores semiconductores sean competitivos por primera vez.

Como los tiristores no se “apagan” directamente, el equipo diseñó un circuito externo para forzar la reducción de corriente. En el Centro GRID-C de ORNL, construyeron y probaron un prototipo que corta 1400 V en menos de 50 microsegundos —4 a 6 veces más rápido que demostraciones previas con tiristores. El trabajo se publicó en IEEE Energy Conversion Congress & Exposition (ECCE) 2024.

Para demostrar escalabilidad a voltajes mayores, conectaron disyuntores en serie, superando desafíos de distribución uniforme de voltaje y preservación de velocidad. Han probado hasta 1800 V y trabajan en alcanzar 10.000 V para futuras redes DC de mayor demanda.