1.4.1.- Arco Eléctrico.
1.4.2.- Formas de Extinguir el Arco.
1.4.3.- Características constructivas de los Interruptores.
1.4.3.1.- Interruptores de gran volumen de aceite.1.4.4.- Especificación técnica de un Interruptor de Potencia.
1.4.3.2.- Interruptores de pequeño volumen de aceite.
1.4.3.3.- Interruptores Neumáticos.
1.4.3.4.- Interruptores en vacío .
1.4.3.5.-Interruptores en Hexafluoruro de Azufre.
1.4.4.1.-Tensión nominal.
1.4.4.2.- Frecuencia nominal.
1.4.4.3.- Corriente nominal.
1.4.4.4.- Rigidez dieléctrica.
1.4.4.5.- Ciclo de trabajo.
1.4.4.6.- Corriente de cortocircuito de momentánea.
1.4.4.7.- Corriente de cortocircuito de interrupción.
1.4.5. Uso de interruptores en localidades ubicadas sobre 1000 m de altura.
1.4.6. Interruptores para reconexión automática.
1.4.7.- Desconectadores o Seccionalizadores.
1.4.8.- Interruptores de Baja Tensión.
El interruptor de potencia es el dispositivo encargado de desconectar una carga o una parte del sistema eléctrico, tanto en condiciones de operación normal (máxima carga o en vacío) como en condición de cortocircuito. La operación de un interruptor puede ser manual o accionada por la señal de un relé encargado de vigilar la correcta operación del sistema eléctrico, donde está conectado.
Existen diferentes formas de energizar los circuitos de control. Para obtener una mayor confiabilidad, estos circuitos se conectan a bancos de baterías. Este tipo de energización, sí bien aumenta los índices de confiabilidad, también aumenta el costo y los requerimientos de mantención exigidos por las baterías. Las tensiones más empleadas por estos circuitos son de 48 y 125 V. También es común energizar estos circuitos de control, a través de transformadores de servicios auxiliares, conectados desde las barras de la central generadora o subestación, con un voltaje secundario en estrella de 400/231 Volts.
Cuando un interruptor abre un circuito con carga o por despejar una falla es inevitable la presencia del arco eléctrico, la que sin duda es una condición desfavorable, en la operación de interruptores. Durante la presencia del arco se mantiene la circulación de corriente en el circuito de potencia. Las características del arco dependen, entre otras cosas de:
• La naturaleza y presión del medio ambiente donde se induce.
• La presencia de agentes ionizantes o desionizantes.
• La tensión entre los contactos y su variación en el tiempo.
• La forma, separación y estructura química de los contactos.
• La forma y composición de la cámara apaga chispa.
• Sistema de extinción del arco.
La generación del arco se debe a la ionización del medio entre los contactos, haciéndolo conductor, lo que facilita la circulación de corriente. La presencia de iones se origina por la descomposición de las moléculas que conforman el medio entre los contactos, producto de colisiones entre éstas y los electrones aportados por la corriente. Se puede decir que la emisión de electrones desde la superficie de los contactos de un interruptor, se debe a las siguientes causas:
• Aumento de temperatura, originando una emisión termo-iónica de electrones.
• Presencia de un alto gradiente de tensión, responsable de la emisión de electrones por efecto de campo.
La emisión termoiónica de electrones se produce por el aumento en la resistencia y en la densidad de corriente en la superficie de los contactos, al momento de producirse la apertura. De igual forma, el alto gradiente de potencial existente entre los contactos durante los primeros instantes del proceso de apertura, origina un proceso de emisión de electrones por efecto de campo eléctrico. Estos electrones altamente energéticos chocan con las moléculas del medio, produciendo una reacción química endotérmica o exotérmica. La energía calórica desarrollada durante el arco es altamente destructiva y puede calcularse por medio de la ecuación (1.1).
(1.1)
Donde:
W e : Energía liberada por el arco, durante el tiempo t.
I (t) : Valor instantáneo de la corriente en función de t.
e b(t) : Caída de tensión a través del arco en función de t.
t : Tiempo de duración del arco.
1.4.2. Formas de Extinguir el Arco
En los interruptores de potencia una de las formas de extinguir el arco, es aumentando la resistencia que ofrece el medio a la circulación de corriente.
La resistencia del arco puede aumentarse enfriando el arco, o bien alargándolo, o dividiéndolo. El inconveniente de este último método, es que la energía que debe ser disipada es alta, razón por la cual su uso se limita a aplicaciones en baja y media tensión tanto en corriente alterna como en continua.
1.4.3 Características comparativas de los Interruptores:
Los interruptores se pueden clasificar de acuerdo a sus características constructivas. Las principales características constructivas de los interruptores consisten en la forma en que se extingue el arco y a la habilidad mostrada para establecer la rigidez dieléctrica entre los contactos para soportar en buena forma (sin reencendido del arco) las tensiones de reignición.
Las ventajas y desventajas de los principales tipos de interruptores se indican a continuación:
1.4.3.1.- Interruptores de gran volumen de aceite:
Ventajas:Desventajas:- Construcción sencilla,
- Alta capacidad de ruptura,
- Pueden usarse en operación manual y automática,
- Pueden conectarse transformadores de corriente en los bushings de entrada.- Posibilidad de incendio o explosión.
- Necesidad de inspección periódica de la calidad y cantidad de aceite en el estanque.
- Ocupan una gran cantidad de aceite mineral de alto costo.
- No pueden usarse en interiores.
- No pueden emplearse en conexión automática.
- Los contactos son grandes y pesados y requieren de frecuentes cambios.
- Son grandes y pesados.1.4.3.2.- Interruptores de pequeño volumen de aceite
Ventajas:
- Comparativamente usan una menor cantidad de aceite.
- Menor tamaño y peso en comparación a los de gran volumen.
- Menor costo.
- Pueden emplearse tanto en forma manual como automática.
- Fácil acceso a los contactos.Desventajas:
- Peligro de incendio y explosión aunque en menor grado comparados a los de gran volumen.
- No pueden usarse con reconexión automática.
- Requieren una mantención frecuente y reemplazos periódicos de aceite.
- Sufren de mayor daño los contactos principales.
1.4.3.3.- Interruptores Neumáticos
Se usan principalmente en alta tensión y poseen las siguientes características:
Ventajas:
- No hay riesgos de incendio o explosión.
- Operación muy rápida.
- Pueden emplearse en sistemas con reconexión automática.
- Alta capacidad de ruptura.
- La interrupción de corrientes altamente capacitivas no presenta mayores dificultades.
- Menor daño a los contactos.
- F ácil acceso a los contactos.
- Comparativamente menor peso.
Desventajas:
- Poseen una compleja instalación debido a la red de aire comprimido, que incluye motor, compresor, cañerías, etc.,
- Construcción más compleja,
- Mayor costo,
1.4.3.4.- Interruptores en vacío
La alta rigidez dieléctrica que presenta el vacío (es el aislante perfecto) ofrece una excelente alternativa para apagar en forma efectiva el arco. En efecto, cuando un circuito en corriente alterna se desenergiza separando un juego de contactos ubicados en una cámara en vacío, la corriente se corta al primer cruce por cero o antes, con la ventaja de que la rigidez dieléctrica entre los contactos aumenta en razón de miles de veces mayor a la de un interruptor convencional (1 KV por µs para 100 A en comparación con 50 V/µs para el aire). Esto hace que el arco no vuelva a reencenderse. Estas propiedades hacen que el interruptor en vacío sea más eficiente, liviano y económico.
La presencia del arco en los primeros instantes después de producirse la apertura de los contactos se debe principalmente a:
• Emisión termoiónica.
• Emisión por efecto de campo eléctrico.
En otras palabras, los iones aportados al arco, provienen de los contactos principales del interruptor. Conviene destacar que en ciertas aplicaciones se hace conveniente mantener el arco entre los contactos hasta el instante en que la corriente cruce por cero. De esta forma se evitan sobre-tensiones en el sistema, producto de elevados valores de di/dt. La estabilidad del arco depende del material en que estén hechos los contactos y de los parámetros del sistema de potencia (voltaje, corriente, inductancia y capacitancia). En general la separación de los contactos fluctúa entre los 5 y los 10 mm.
Ventajas
- Tiempo de operación muy rápidos, en general la corriente se anula a la primera pasada por cero.
- Rigidez dieléctrica entre los contactos se restablece rápidamente impidiendo la reignición del arco.
- Son menos pesados y más baratos.
- Prácticamente no requieren mantención y tienen una vida útil mucho mayor a los interruptores convencionales.
- Especial para uso en sistemas de baja y media tensión.
Desventajas:
- Dificultad para mantener la condición de vacio.
- Generan sobre-tensiones producto del elevado di/dt.
- Tienen capacidad de interrupción limitada.Es importante destacar la importancia que tiene el material con que se fabrican los contactos de los interruptores en vacío. La estabilidad del arco al momento de separarse los contactos, depende principalmente de la composición química del material con que fueron fabricados. Si el arco es inestable, significa que se apaga rápidamente antes del cruce natural por cero de la corriente, generando elevados di/dt con las consiguientes sobre tensiones. Para evitar esta situación, se buscan materiales que presenten baja presión de vapor en presencia de arco. Estos materiales no son fáciles de encontrar, pues tienen propiedades no del todo apropiadas para uso en interruptores en vacío. Por ejemplo materiales con buena conductividad térmica y eléctrica, tienen bajos puntos de fusión y ebullición, y alta presión de vapor a altas temperaturas. Sin embargo, metales que presentan baja presión de vapor a altas temperaturas son malos conductores eléctricos. Para combinar ambas características se han investigado aleaciones entre metales y materiales no metálicos como Cobre-Bismuto, Cobre-Plomo, Cobre-Tantalio, Plata-Bismuto, o Plata-Telorium.
1.4.3.5.- Interruptores en Hexafluoruro de Azufre:
El SF 6 se usa como material aislante y también para apagar el arco. El SF 6 es un gas muy pesado (5 veces la densidad del aire), altamente estable, inerte, inodoro e inflamable. En presencia del SF 6 la tensión del arco se mantiene en un valor bajo, razón por la cual la energía disipada no alcanza valores muy elevados. La rigidez dieléctrica del gas es 2.5 veces superior a la del aire (a presión atmosférica). La rigidez dieléctrica depende de la forma del campo eléctrico entre los contactos, el que a su vez depende de la forma y composición de los electrodos. Si logra establecerse un campo magnético no uniforme entre los contactos, la rigidez dieléctrica del SF 6 puede alcanzar valores cercanos a 5 veces la rigidez del aire. Son unidades selladas, trifásicas y pueden operar durante largos años sin mantención, debido a que prácticamente no se descompone, y no es abrasivo.
Otra importante ventaja de este gas, es su alta rigidez dieléctrica que hace que sea un excelente aislante. De esta forma se logra una significativa reducción en las superficies ocupadas por subestaciones y switchgear. La reducción en espacio alcanzada con el uso de unidades de SF 6 es cercana al 50% comparado a subestaciones tradicionales. Esta ventaja muchas veces compensa desde el punto de vista económico, claramente se debe mencionar que hay un mayor costo inicial, en su implementación. La presión a que se mantiene el SF 6 en interruptores, es del orden de 14 atmósferas, mientras que en switchgear alcanza las 4 atmósferas.
El continuo aumento en los niveles de cortocircuito en los sistemas de potencia ha forzado a encontrar formas más eficientes de interrumpir corrientes de fallas que minimicen los tiempos de corte y reduzcan la energía disipada durante el arco. Es por estas razones que se han estado desarrollando con bastante éxito interruptores en vacío y en hexafluoruro de azufre (SF 6) .
Ejemplo interruptor en el mercado.
Interruptor SF6
( Técnica auto-compresión)
1 a 40.5KV
GROUPE SCHNEIDER
INTERRUPTOR SF6 UTILIZADO( TECNICA CON AUTO-COMPRESION SF6 )
OPERACION DEL INTERRUPTOR SF6
- Contacto principal y contacto de arco estan inicialmente cerrado (fig.1)
- Pre-compresión :Cuando empiezan abrirse,el piston comprime el gas SF6 en la cámara de presión.
- Periodo de arco: El arco que se forma
entre el contacto.El piston continua en movimiento,una pequeña cantidad de gas es inyectada al arco(boquilla aislante),con esto va disminuyendo la corriente en el arcoy se va enfriando por convección.
Interruptor SF6: Circuitos menores o igual a 17.5KV
- Interruptor cerrado.
- Contacto principal abierto,corriente transfiriendose por los contactos del arco.
1.4.4.- Especificación técnica de un Interruptor de Potencia.
La selección de un interruptor de potencia para una determinada aplicación consiste en definir un conjunto de valores que limitan las condiciones de operación máximas del interruptor. Los parámetros a indicar son algunos de los cuales deben tenerse presente:
• Tensión nominal.
• Frecuencia nominal.
• Corriente nominal.
• Rigidez dieléctrica (clase de aislación).
• Ciclo de trabajo.
• Corriente de cortocircuito momentánea.
• Corriente de cortocircuito de interrupción.
• Etc.
Es el máximo valor efectivo de tensión al cual el interruptor puede operar en forma permanente. En general esta tensión es mayor al voltaje nominal del sistema.
Es la frecuencia a la cual el interruptor está diseñado para operar. Este valor tiene incidencia en los tiempos de apertura y cierre de los contactos además del tiempo de apagado del arco.
Es el máximo valor efectivo de corriente que puede circular a través del interruptor en forma permanente, a frecuencia nominal, sin exceder los límites máximos de temperatura de operación indicados para los contactos. La temperatura en los contactos depende del material que están hechos (cobre, plata o equivalente), del medio en que están sumergidos, y de la temperatura ambiente. En interruptores con contactos de cobre, las máximas temperaturas de operación, están referidas a una temperatura ambiente máxima de 40 ºC y en caso de contactos de plata de 55 ºC.
Define la máxima tensión que soporta el interruptor sin dañar su aislación. La rigidez dieléctrica debe medirse entre todas las partes aisladas y partes energizadas y también entre los contactos cuando están abiertos. Estas pruebas se realizan entre contactos y tierra (contacto cerrado), a través de los contactos, entre fases (con contactos cerrados).
El ciclo de trabajo normal de un interruptor de potencia se define como dos operaciones "cerrar-abrir" con 15 segundos de intervalo. Para este ciclo de trabajo, el interruptor debe ser capaz de cortar la corriente de cortocircuito especificada en sus características de placa.
1.4.4.6.- Corrientes de cortocircuito de momentánea
Es el valor máximo efectivo que debe soportar el interruptor sin que sufra un deterioro, debe ser capaz de soportar el paso de esta corriente en los primeros ciclos cuando se produce la falla (1 a 3 ciclos). Entre estas corrientes deben especificarse los valores simétricos y asimétricos.
1.4.4.7.-Corrientes de cortocircuitos de interrupción.
Es el máximo valor efectivo medido en el instante en que los contactos comienzan a separarse. Esta corriente corresponde a un cortocircuito trifásico o entre líneas con tensión y ciclo de trabajo nominal. Entre estas corrientes deben especificarse los valores simétricos y asimétricos de interrupción.
a) La capacidad de interrupción simétrica
Es la máxima corriente RMS de cortocircuito sin considerar la componente continua que el interruptor debe ser capaz de cortar en condiciones de voltaje nominal y ciclo de trabajo normal. Para una tensión de operación diferente al valor nominal, la corriente de interrupción está dada por la ecuación (1.2):
I interrupción simétrica = I interrupción simétrica nominal x (V nom /V op ) (1.2)
b) La capacidad de interrupción asimétrica
Corresponde al valor RMS de la corriente total (incluida la componente continua) que el interruptor debe ser capaz de interrumpir en condiciones de voltaje y ciclo de trabajo nominal.
1.4.5. Uso de interruptores en localidades ubicadas sobre 1000 m de altura
Los interruptores ubicados a alturas superiores a los 1000 m sobre el nivel del mar, modifican sus valores nominales de voltaje y corriente para considerar el efecto de enrarecimiento del aire que afecta las condiciones de ventilación, así como de aislación del interruptor. La relación de los valores nominales en función de la altura de instalación, esta dada por cada fabricante.-
1.4.6. Interruptores para reconexión automática.
La reconexión automática se usa especialmente en líneas de transmisión radiales y de difícil acceso para aumentar la continuidad de servicio. El tiempo de reconexión del interruptor debe especificarse de acuerdo a las características de operación del sistema eléctrico. También al calcular el tiempo de reconexión se debe considerar la desionización del arco de manera de eliminar la posibilidad de reencendido. Este tiempo muerto depende del nivel de tensión y para sistemas sobre 115 KV es de alrededor de 8 ciclos.
Un interruptor de potencia con reconexión automática, la capacidad de ruptura del interruptor se modifica de acuerdo al ciclo de trabajo con que se utilizará. El cálculo de la nueva capacidad de ruptura debe efectuarse tomando en cuenta las siguientes consideraciones:
• El ciclo de trabajo no debe tener más de 5 aperturas.
• Toda operación dentro de un intervalo de 15 minutos se considera parte de un mismo ciclo de trabajo.
• El interruptor debe usarse en un sistema cuya corriente de cortocircuito no exceda el valor corregido de la corriente de interrupción para la tensión nominal y el ciclo de trabajo especificado.
Los interruptores especialmente diseñados para operar con reconexión automática se llaman “Restauradores” o “Reconectadores”. El reconectador es un aparato que al suceder una condición de sobre-corriente abre sus contactos, y una vez que ha transcurrido un tiempo determinado cierra sus contactos nuevamente, energizando el circuito protegido. Si la condición de falla sigue presente, el restaurador repite la secuencia cierre-apertura un número determinado de veces (por lo general son 4 como máximo). Después de la cuarta operación de apertura queda en posición de abierto definitivamente. Cuando un reconectador detecta una situación de falla, abre en un ciclo y medio. Esta rápida operación de apertura disminuye la probabilidad de daño a los equipos instalados en el circuito en falla. Uno o uno y medio segundos después, cierra sus contactos, energizando nuevamente el circuito. Después de una, dos, y hasta tres operaciones rápidas el restaurador cambia a una operación de características retardada.
1.4.7.- Desconectadores o Seccionalizadores.
Un desconectador o seccionalizador es un dispositivo de apertura, que debe operar siempre con el circuito desenergizado. Debido a que este equipo no está diseñado para cortar corrientes de falla, se utiliza siempre aguas arriba de un interruptor de potencia para aislar sistemas, para poder realizar mantenciones preventivas o programadas.1.4.8.- Interruptores de Baja Tensión.
Los interruptores utilizados en la protección de circuitos con voltajes nominales inferiores a 1000 Volts en corriente alterna o 3000 Volts en corriente continua, tienen características constructivas y de operación diferentes a los interruptores en media y alta tensión.
La detección de sobre intensidades se realiza mediante tres dispositivos diferentes: térmicos para sobrecargas, magnéticos para cortocircuitos y electrónicos para ambos. Los interruptores térmicos y magnéticos, generalmente asociados (interruptores automáticos magnetotérmicos), poseen una técnica probada y económica, si bien ofrecen menos facilidades de regulación que los interruptores electrónicos.
- Relé térmico:
Está constituido por un termo elemento cuyo calentamiento por encima de los valores normales de funcionamiento provoca una deformación que libera el cierre de bloqueo de los contactos. El tiempo de reacción de un termo elemento es inversamente proporcional a la intensidad de la corriente. Debido a su inercia térmica, cada nueva activación del circuito disminuirá su tiempo de reacción.
- Relé magnético:
Está constituido por un bucle magnético cuyo efecto libera el cierre de bloqueo de los contactos, provocando así el corte en caso de sobre intensidad elevada. El tiempo de respuesta es muy corto (del orden de una centésima de segundo).
- Relé electrónico:
Un toroidal, situado en cada conductor, mide permanentemente la corriente en cada uno de ellos. Esta información es tratada por un módulo electrónico que acciona el disparo del interruptor cuando se sobrepasan los valores de ajuste. La curva del interruptor presenta tres zonas de funcionamiento.
• Zona de funcionamiento «instantáneo»:Garantiza la protección contra cortocircuitos de alta intensidad. Viene ajustada de fábrica a un valor determinado (5 a 20 kA según los modelos).
• Zona de funcionamiento de «retardo corto»:Garantiza la protección contra cortocircuitos de intensidad menor, generalmente en el extremo de línea. El umbral de activación suele ser regulable. La duración del retardo puede llegar por pasos hasta un segundo a fin de garantizar la selectividad con los aparatos situados aguas abajo.
• Zona de funcionamiento de «largo retardo»:Es asimilable a la característica de un interruptor térmico. Permite garantizar la protección de los conductores contra sobrecargas. Además, dicho ajuste permite buscar las mejores condiciones de selectividad entre los aparatos.
En el comercio existe una gama de interruptores que ofrecen los proveedores, como por ejemplo:
Interruptores automáticos de potencia DPX Legrand
Figura N° 1.6
Diferentes modelos
Figura N° 1.7
A continuación se muestra las características técnicas asociado a cada interruptor (tabla N° 1.3) con las curvas de disparo (figura N°1.8 y N° 1.9).
Tabla N° 1.3
Figura N° 1.8
Figura N° 1.9
