Ejemplo disyuntor de uso en celdas secundarias (típicamente mando lateral)
El arco
eléctrico
• El arco eléctrico es una descarga auto sostenida
que presenta una caída de tensión baja y que es capaz de sostener corrientes
elevadas, actuando como una resistencia no lineal.
•Se producen en:
–
El aire, a presión atmosférica o en el vacío,
–
A altas o bajas presiones
–
En una gran variedad de gases y vapores metálicos.
Los gases y vapores que sirven como conductores del
arco son originados parcialmente a partir del material de los electrodos, parcialmente
del ambiente donde éste se desarrolla y de los productos de la reacción.
Características del arco:
·
Se encuentra siempre a muy altas temperaturas
·
Comportamiento de resistencia
·
Fácilmente influenciado por campos magnéticos y por
la acción de fluidos a alta presión.
·
Puede ser tratado como un gas caliente que cumple
con las leyes de conservación de masa, momento y energía por lo que su
conductividad eléctrica, conductividad térmica y composición gaseosa son
controladas esencialmente por la temperatura.
·
Energía disipada por el arco durante la
interrupción.
El arco
en corriente alterna:
· En un
arco estable, aumenta la corriente, entonces aumenta la
· Temperatura,
y se promueve la ionización ( Rarc disminuye)
· Si la
corriente decrece, se produce el fenómeno inverso; el arco colapsa un corto tiempo antes de que
se produzca el cero natural de la corriente
· .El mismo
se reencenderá en el siguiente ciclo con la corriente en sentido contrario,
siempre y cuando las condiciones ambientales lo permitan. El tiempo de
transición, (tiempo de i=0), depende del medio y del circuito externo.
· El
colapso de corriente es acompañado por un incremento de tensión
· Durante
este período sin corriente, el arco es parcialmente desionizado debido a las
pérdidas de calor, por lo que el campo eléctrico necesario para reencenderlo
será mayor que el suficiente para mantenerlo.
· El tiempo
de corriente cero es función de la velocidad con la que se incrementa la
tensión del circuito en el comienzo de cada semiciclo y de la velocidad con la
que se produce el proceso de desionización.
Interrupción
en corriente alterna
·
El proceso de interrupción está constituido por
tres períodos:
·
El período de espera
·
El período de extinción
·
El período de post-arco
Período de espera:
·
Se produce la separación de los contactos
provocando la ruptura dieléctrica del medio ínter contactos y generándose el
arco eléctrico
·
El arco se auto mantiene por la energía que él
mismo disipa por efecto Joule
·
Aparece la tensión de arco Ua entre los contactos,
la cual está influenciada por la intensidad de la corriente y por los
intercambios térmicos con el entorno
Período
de extinción:
·
Cerca del cero de corriente, la Rarc aumenta según
una curva que depende principalmente de la constante de tiempo de desionización
del medio ínter contactos.
·
Si la energía disipada por efecto Joule sobrepasa
la potencia de enfriamiento característica del dispositivo, el medio no se
sigue enfriando, se produce un embalamiento térmico seguido de una nueva
ruptura dieléctrica: es una ruptura térmica
Período
post arco:
·
Para que la interrupción tenga éxito, también es
necesario que la velocidad de regeneración dieléctrica sea más rápida que la tensión
transitoria de restablecimiento TTR, de otro modo aparecerá una perforación
dieléctrica. Las rupturas dieléctricas post corte pueden ser:
· Reencendidos
si tienen lugar en el cuarto período que sigue al cero de corriente o
· Recebados
si se producen después
Interrupción
de Corrientes Inductivas
• Cuando la corriente se hace 0 la tensión es
máxima: situación muy favorable para los reencendidos
• Cuando el arco se extingue, la energía
electromagnética almacenada en la inductancia es transformada en energía
electrostática en la capacidad que exista en el circuito y viceversa, con una
serie de oscilaciones amortiguadas por la presencia de resistencia en el
circuito, a una frecuencia en general muy superior a la del circuito de
potencia. Este proceso dificulta la interrupción, ya que el crecimiento del
poder dieléctrico debe ahora compensar un voltaje con elevada velocidad de
crecimiento. Además, deberá soportar la sobretensión de oscilación.
• Problemas para cortes de corrientes inductivas
pequeñas: Reencendidos a la apertura.
Transitorios
de tensión con reencendidos
Resumen Corte de corrientes inductivas:
–
No es lo más común en maniobras en las redes de MT
– Corrientes magnetizantes de trafos en vacío o poco
cargados: en general no suele ser un problema
– Inductancias shunt: Debe estudiarse el problema con
cuidado (ver IEC 61233)
– Comando de motores: idem, ver recomendaciones de
IEC 61233
Interrupción de corrientes capacitivas
Las
técnicas de corte
• Los Interruptores automáticos pueden utilizar
diversos medios de corte:
–
El aire
–
El aceite
–
El vacío
–
SF6
• En MT, el corte en aire o en aceite tiende a
desaparecer, no así el corte en vacío en el SF6
El medio
de corte
• Como se ha explicado, la interrupción tiene éxito
cuando:
– La
potencia disipada en el arco por efecto Joule permanece inferior a la potencia
de enfriamiento del dispositivo.
– La
velocidad de desionización del medio es grande
– El
espacio interconectactos tiene una resistencia dieléctrica suficiente.
• Por ende, el medio debe cumplir con los
siguientes requerimientos:
– Tener una conductividad térmica importante,
especialmente en la fase de extinción, para evacuar la energía térmica del arco
– Volver a
alcanzar sus propiedades dieléctricas lo más rápidamente posible a fin de
evitar un reencendido intempestivo
– A
temperatura elevada, ser un buen conductor eléctrico para reducir la resistividad
del arco y por tanto la energía a disipar
– A
temperaturas más bajas, ser un buen aislante eléctrico para facilitar el restablecimiento
de la tensión.
Disyuntores
en Vacío
El corte
en vacío
· Utilizado
a escala industrial a partir de los ’70s.
· El vacío
es un medio dieléctrico ideal: no hay material y por tanto no hay conducción
eléctrica. Sin embargo, el vacío nunca es perfecto y sí tiene un límite de
resistencia dieléctrica.
· En el
vacío “real”: a 10-6 bar, la rigidez dieléctrica en campo homogéneo puede
alcanzar una tensión de cresta de 200kV para una distancia interelectrodos de
12mm.
· La
ruptura dieléctrica en el vacío está vinculada a los fenómenos de emisión
electrónica fría, sin efecto de avalancha por ionización.
· Su
resistencia dieléctrica no depende prácticamente más que de la presión cuando
ésta es inferior a 10-6 bar.
· La
rigidez dieléctrica depende entonces de la naturaleza de los materiales, de la
forma de los electrodos y de la distancia interelectrodos
El arco
eléctrico en el vacío:
•El arco se compone de vapores metálicos y de
electrones que provienen de los electrodos y puede tener dos aspectos:
concentrado o difuso, según la intensidad de corriente que lo atraviesa.
•I ³10kA:
arco único y concentrado, como en los fluidos tradicionales. Una fina capa del
material de contacto se vaporiza y el arco se desarrolla en una atmósfera de
vapores metálicos que ocupan todo el espacio. Cuando la intensidad decrece,
estos vapores se condensan sobre los mismos electrodos, o sobre las pantallas
metálicas dispuestas a esos efectos.
• I< a algunos miles de A: arco en forma difusa.
Se compone de varios arcos separados unos de los otros, de forma cónica cuyo
vértice está en el cátodo. La corriente en este caso es esencialmente debida al
flujo de electrones.
Paso de
la corriente por cero:
· Al aproximarse la corriente a cero, el número de
puntos de arco disminuye hasta que el último desaparece cuando la energía
aportada por el arco es insuficiente para mantener una temperatura de pie de
arco suficientemente elevada. Al invertirse la tensión, el ánodo se convierte
en cátodo, pero está frío y no puede emitir electrones. En consecuencia, los dispositivos
de vacío pueden cortar las corrientes con crecimientos del TTR muy rápidos y
también las corrientes de alta frecuencia.
· Para las intensidades elevadas, a cero de
intensidad todavía puede quedar un plasma de arco y el corte no resulta seguro.
Esencialmente pues, la densidad de vapor metálico residual es la que determina
el Pdc.
· Los fenómenos de reencendido y de disparo indeseado
se producen cuando los contactos liberan demasiados vapores metálicos.
Las
distintas tecnologías de corte en vacío:
•Exigencias a cumplir.
–Reducir el fenómeno de arranque de corriente para
limitar las sobretensiones.
–Evitar la erosión precoz de los contactos para
obtener una durabilidad mecánica elevada.
–Retrasar la aparición del régimen de arco
concentrado para aumentar el Pdc.
–Limitar la producción de vapores metálicos para
evitar los disparos indeseados.
–Conservar el vacío, indispensable para mantener
las características de corte durante la vida del dispositivo.
Las
soluciones se orientan principalmente en dos direcciones:
–El control de arco por un campo magnético, que
puede ser radial o axial.
–La composición de los materiales de los contactos:
aleaciones Cobre/Cromo o aleaciones Cobre/Bismuto.
Control
de arco por un campo magnético radial (distintas soluciones)
Control de arco por un campo magnético
axial (distintas soluciones)
La limitación esencial es la estanqueidad de la
cámara de vacío.
· Los contactos son simplemente frontales y la
energía de maniobra para estos dispositivos es pequeña (30 a 50J).
· Las presiones de contacto deben ser elevadas, para
minimizar la resistencia de contacto y evitar la separación de los contactos
cuando pase una intensidad de cortocircuito. Estas presiones de contacto
necesarias imponen unas limitaciones mecánicas elevadas.
·
El volumen de la cámara es función del Pdc, que
incide en el diámetro de la cámara.
·
La rigidez dieléctrica externa de la envolvente
resulta preponderante para definir el dimensionado del dispositivo.
· Hay que resaltar que el control permanente del
vacío durante la explotación no es posible, ya que se necesita poner el equipo
sin tensión y un dispositivo de medida adecuado.
Ámbito de
aplicación
· En el campo de MT es donde más se emplea esta
técnica: hay disponibles Interruptores automáticos de uso general para las
diferentes aplicaciones con todos los poderes de corte habituales (hasta 63kA).
Se utilizan para la protección y mando de cables y de líneas aéreas, de
transformadores, de condensadores en batería única, de motores e inductancias
shunt.
· Están particularmente adaptados para el mando de
hornos de arco, pero hay que utilizarlos con precaución en el mando de
escalones de condensadores en paralelo.
Disyuntores en SF6
El
corte en SF6 (Hexafloruro de azufre)
• Utilizado a escala industrial a partir de los
’70s, al igual que el vacío.
Propiedades
del SF6:
· Químicas:
no contaminante, incoloro, inodoro, no inflamable y no tóxico en su estado
puro. Insoluble en el agua. Químicamente inerte (sus moléculas tienen todos sus
enlaces químicos saturados y una energía de disociación elevada, así como una
gran capacidad para evacuar el calor producido por el arco.)
· Físicas:
•Térmicas:
La conductividad térmica del SF6 es equivalente a la del aire, pero el estudio
de la curva de conductividad térmica del SF6 a temperaturas elevadas indica un
pico a la temperatura de disociación del SF6.
•Dieléctricas:
el SF6 tiene una rigidez dieléctrica muy elevada gracias a las propiedades muy
electronegativas del flúor
El arco
eléctrico en el SF6
•Formado por un plasma de SF6 disociado, de forma
cilíndrica, constituido por un núcleo a una temperatura muy elevada en función
de la corriente cortada, envuelto de una vaina de gas más frío. El núcleo y la
vaina están separados por una zona de transición de temperatura ligada a la temperatura
de disociación de la molécula. Cerca de los 2000ºC, esta zona de transición
permanece sin cambios cuando la intensidad de la corriente varía.
•Durante el período de arco, la totalidad de la
corriente se transporta por el núcleo.
Paso por
el cero de corriente:
•Con la disminución de la intensidad, la
temperatura del núcleo disminuye, con lo que su conductividad eléctrica
comienza también a disminuir.
•Al acercarse el cero de corriente, los
intercambios térmicos entre la vaina y el núcleo resultan muy importantes y el
núcleo desaparece el corte por auto compresión
•En este tipo de Interruptor automático, la expansión
de un volumen de SF6 comprimido por un pistón sopla el arco. Al abrir el
dispositivo, un cilindro solidario con el contacto móvil se desplaza y comprime
un volumen de SF6. Un tubo de soplado canaliza el gas hacia el centro del arco.
El gas se evacua a través de los contactos huecos.
•Con intensidades fuertes, el arco provoca un
efecto de tapón que contribuye a la acumulación de gas comprimido.
•Esta tecnología permite cortar sin dificultad
todas las intensidades hasta el Pdc, sin una intensidad crítica puesto que la
energía necesaria para soplar el arco se produce por empuje mecánico y por
tanto es independiente de la corriente a cortar.
Magnitudes
características:
•Presiones relativas de SF6 que se utilizan: de
0.5bar (16kA, 24kV) hasta 5 bar (52kV)
•Factores que afectan las dimensiones de la cámara
de corte:
– La
capacidad para soportar la tensión de los ensayos entrada / salida condiciona
la distancia de aislamiento entre los contactos abiertos.
– La
intensidad de cortocircuito a cortar dimensiona el diámetro del tubo de soplado
y de los contactos
– La
potencia de cortocircuito a cortar impone las dimensiones del pistón de soplado
• Energía de apertura de 200 a 500J es
relativamente elevada, a pesar de lo compactos que son los dispositivos, a
causa de la energía necesaria para la compresión del gas.
El corte
por arco giratorio
• El arco se enfría por su propio desplazamiento
relativo en el SF6. Un campo magnético, creado por una bobina recorrida por la
corriente de fallo, genera un movimiento de rotación del arco a velocidad muy
elevada.
• Al abrir los contactos principales, la corriente
se conmuta a la bobina y aparece el campo magnético axial. La fuerza de Laplace
resultante acelera el arco en un movimiento circular. Así, el arco se enfría de
una manera homogénea en el SF6.
• La potencia de enfriamiento del dispositivo
depende pues directamente del valor de la corriente de cortocircuito lo que da
a estos dispositivos una suavidad de corte que no necesita más que una pequeña
energía de maniobra: la energía necesaria para el corte la suministra
enteramente el arco y las corrientes pequeñas se cortan sin arranque ni
sobretensiones.
Magnitudes
características
• Gracias a la pequeña energía de corte, los
dispositivos son muy compactos, incluso con una presión de rellenado
relativamente pequeña (de orden de 2.5 bar)
• Energía de mando para la apertura es inferior a
100J
El corte
por auto expansión
· Utiliza
la energía térmica disipada por el arco para aumentar la presión de un pequeño
volumen de SF6 que se escapa por un orificio atravesado por el arco. Cuanto más
importante es la intensidad del arco, mayor es el efecto tapón que dificulta el
escape del gas a través del orificio. El gas frío bloqueado en este volumen
aumenta de temperatura, a causa de la disipación térmica del arco
(principalmente por radiación), y por lo tanto su presión también aumenta. En
el cero de corriente, el tapón desaparece, el SF6 se expande y sopla el arco.
El efecto de soplado depende del valor de la corriente, de donde resultan
energías de mando pequeñas y cortes suaves, pero con un riesgo de existencia de
corrientes críticas. Estas se encuentran generalmente alrededor del 10% del
Pdc.
· Se han
desarrollado dos métodos de guiado del arco, el guiado magnético (tipo arco
giratorio) y el guiado mecánico (tipo auto compresión), que permiten
estabilizar el arco en la zona de soplado y además suprimir las corrientes
críticas
Magnitudes
características:
Para corrientes pequeñas, el soplado es casi
inexistente y generalmente la tensión de arco no va más allá de los 200V.
· La
presión de relleno de la cámara es cercana a la presión atmosférica
· El
volumen de soplado térmico está comprendido entre 0.5 y 2 litros.
· La
energía de actuación a 24kV es inferior a 100J
· El corte
por auto expansión es hoy la tecnología de mejor rendimiento.
· Sus
capacidades de corte pueden ser muy elevadas con unas presiones y unas energías
de actuación pequeñas, y por tanto con una fiabilidad muy elevada.
Resumen Técnicas de Corte en SF6
Especificaciones técnicas
a) Tensión nominal
b) Nivel de aislación nominal: para un Interruptor
automático, característica definida por uno o dos valores que indican la
aislación del Interruptor automático. Típicamente, estos valores son el nivel
de aislación a frecuencia industrial y el nivel de aislación a onda de impulso.
•Nivel de
aislación a frecuencia industrial:
Valor eficaz de la tensión sinusoidal a frecuencia industrial que la
aislación del Interruptor automático puede soportar durante ensayos realizados
en condiciones especificadas y durante lapsos especificados.
•Nivel de
aislación a onda de impulso:
Valor de cresta de la onda de impulso de tensión normalizada que la aislación
del Interruptor automático puede soportar durante ensayos realizados en condiciones
especificadas.
c) Frecuencia nominal
d) Corriente nominal en servicio continuo:
Corriente que el circuito principal de un
Interruptor automático puede soportar indefinidamente en condiciones de uso y
funcionamiento prescriptas.
e) Corriente nominal de corta duración admisible: Corriente
que el Interruptor automático en la posición cerrada puede conducir durante un tiempo
corto especificado, en condiciones de uso y funcionamiento prescriptas.
f) Valor de cresta de la corriente admisible
nominal: Valor de cresta de corriente que el Interruptor automático en la
posición cerrada puede soportar, en condiciones de uso y funcionamiento
prescriptas.
g) Duración nominal de cortocircuito
h) Tensión nominal de alimentación de los
dispositivos de cierre y de apertura y de los circuitos auxiliares
i) Frecuencia nominal de alimentación de los
dispositivos de cierre y de apertura y de los circuitos auxiliares
j) Presiones asignadas de alimentación de gas
comprimido, y/o de alimentación del circuito hidráulico, para la operación, el
corte y la aislación, de ser aplicables
• Presión mínima de maniobra:
Presión, relacionada con las condiciones atmosféricas normales (+20ºC y
101.3kPa), expresada en forma absoluta o relativa, a la cual, y por encima de
la cual, se conservan las características nominales del Interruptor automático
y a la cual se vuelve necesaria un complemento de relleno del dispositivo de
maniobra.
• Presión mínima de corte y
aislación: Presión para el corte y la aislación, relacionada con las
condiciones atmosféricas normales (+20ºC y 101.3kPa), expresada en forma
absoluta o relativa, a la cual, y por encima de la cual, se conservan las
características nominales del Interruptor automático y a la cual se vuelve
necesaria un complemento de relleno del fluido de corte y/o de aislación.
k) Poder de corte en cortocircuito nominal: valor
de la corriente presunta que el Interruptor automático es capaz de cortar a una
tensión especificada, en condiciones de uso y funcionamiento prescriptas. Las condiciones
de uso prescriptas incluyen en este caso un cortocircuito en los terminales del
Interruptor automático.
l) Tensión transitoria de restablecimiento nominal,
relativa al poder de corte en cortocircuito nominal. Tensión transitoria que
aparece entre los terminales de un polo de un Interruptor automático luego de
iniciado el corte de la corriente. Esta tensión puede ser sinusoidal o no
sinusoidal o una combinación de ambas dependiendo de las características del
circuito interrumpido. La TTR en un circuito trifásico es aquella que aparece
en el primer polo que comienza la apertura, puesto que esta tensión es mayor que
la que aparece en los otros dos polos.
m) Poder de cierre en cortocircuito nominal: valor
de la corriente presunta que el Interruptor automático es capaz de establecer a
una tensión especificada, en condiciones de uso y funcionamiento prescriptas. Las
condiciones de uso prescriptas incluyen en este caso un cortocircuito en los
terminales del Interruptor automático
n) Secuencia de maniobras nominal: sucesión de
operaciones especificadas, con intervalos de tiempo especificados.
o) Tiempos nominales
•Tiempo de apertura: Depende del método de apertura
e incluyendo todo dispositivo de retardo que forme parte del Interruptor
automático, regulado a su mínimo valor posible:
•Para un Interruptor automático abierto a través de
cualquier fuente auxiliar, el tiempo de apertura es el intervalo de tiempo
entre el instante de energización del dispositivo de apertura, estando el
Interruptor automático en posición cerrada, y el instante de separación de los contactos
de arco en todos los polos.
•Para un Interruptor automático con apertura
autónoma, el tiempo de apertura es el intervalo de tiempo entre el instante en
que la corriente principal alcanza el valor de funcionamiento del dispositivo
de apertura por sobrecorriente, estando el Interruptor automático en posición cerrada,
y el instante de separación de los contactos de arco en todos los polos.
•Tiempo de arco: Intervalo de tiempo entre el
instante de inicio del arco y el instante de extinción final del arco en todos
los polos.
•Tiempo de corte: Intervalo de tiempo entre el
inicio del tiempo de apertura de una dispositivo mecánico de conexión y el fin
del tiempo de arco.
•Tiempo de cierre: intervalo de tiempo entre la
energización del circuito de cierre, estando el Interruptor automático en
posición abierta, y el instante en el cual los contactos se tocan en todos los
polos.
Accesorios
• Para cumplir con sus funciones de mando y
protección, el Interruptor automático debe ser provisto de ciertos accesorios:
-
Complemento de la protección:
· RELE DE PROTECCIÓN (primarios o secundarios,
autoalimentados o con fuente auxiliar, con distintas funciones de protección
según el relé).
-
MOTORIZACION: en 48, 110,230VAC o 24, 48, 110, 125,
220VDC
- BOBINAS DE APERTURA Y CIERRE: de emisión o de tensión
cero, de distintas tensiones, en AC o DC.
-
Juegos de CONTACTOS AUXILIARESpara señalización
- PRESOSTATO c/señalización de estado de presión de
SF6 para Interruptores automáticos en SF6
-
CONTADOR DE MANIOBRAS
