el arco eléctrico

7/21/2019 El Arco Eléctrico

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c!todo provocando la ionización por impacto. a ionización var"a conforme almaterial, forma y separación de los contactos.

&l iniciar el arco entre los electrodos se liberan sucientes electrones delc!todo con dirección al !nodo provocando que el medio se ionice. Estaionización libera electrones que mantienen el arco a#n después de habercesado la emisión de campo. En consecuencia cada electrón emitido semultiplica en n#mero derivando energ"a del campo. El proceso de difusión yrecombinación contin#a respondiendo los electrones perdidos al !nodo.+inalmente, si el ujo de corriente es alto, se establece un arco contemperatura suciente como para convertirse en la fuente principal deconductividad eléctrica.

Teor&a de Interrupción del Arco

a interrupción de un circuito de *.%. y de otro de *.&. implica procesosdistintos debido a la naturaleza de las corrientes.

En el caso de circuitos de *.%. no e(isten valores de corriente cero, nitiempos donde la corriente sea cero. -or lo tanto, para lograr la interrupción,la corriente debe ser forzada hasta alcanzar un valor de cero. Esto se lograaumentando la resistencia del arco hasta que su ca"da de tensión sea igual ala tensión del circuito, lo que se efect#a con la elongación del arco o lareducción forzada del arco.

-ara el caso de circuitos de *.&. s" ocurren valores de corriente cero. -or lotanto, para lograr la interrupción, sólo es necesario impedir el reencendido

del arco después de un valor de corriente cero. Esto, se logra con ladesionización del entrehierro formado entre los contactos del interruptor.

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En términos generales, se conocen tres métodos de e(tinción del arcoeléctrico en los interruptores$

• 'nterrupción por alta resistencia.•

'nterrupción por baja resistencia.• 'nterrupción en vac"o.

Interrupción por alta resistencia'

En este caso, el objetivo es incrementar la resistencia del arco en función deltiempo y reducir la corriente hasta lograr la e(tinción. a desventaja principalde este método de interrupción es la gran cantidad de energ"a disipada, porlo tanto, sólo se usa en interruptores de baja y mediana tensión, as" como eninterruptores de corriente directa.-ara incrementar la resistencia del arco se emplean las técnicas siguientes$

• Elongación del arco' *omo la resistencia del arco esapro(imadamente proporcional a su longitud, alargando el arco suresistencia aumenta.

• En(riamiento del arco' a tensión requerida para mantener laionización aumenta cuando la temperatura disminuye, por lo queenfri!ndolo su resistencia aumenta.

• #i)isión del arco' *uando se establece un arco, e(iste una tensiónapreciable entre las supercies de los contactos. Si el arco se divide enarcos peque)os, en serie, se reduce la tensión de la columna.

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Estas técnicas son las m!s empleadas para aumentar la resistencia del arcode corriente directa y también se aplican en la interrupción de corrientesalternas, de hasta / 0. -ara niveles de tensiones mayores es necesariorecurrir a nuevas y diferentes tecnolog"as.

Interrupción por ba*a resistencia o de corriente cero'

Este método se emplea para la interrupción de arcos de corriente alternaaprovechando que el arco se e(tingue por s" solo, 12/ veces por segundo enun sistema de / 3z, cada vez que la corriente cruza por cero. Este fenómenose representa en la +ig. 1.1/ y es m!s conocido como 3'S456ES'S %E &6*7.

a e(tinción del arco eléctrico en corriente alterna est! relacionada con elcruce por cero de la corriente. a de8ionización o recuperación de la rigidezdieléctrica del entrehierro, inicia en el momento en que el arco se e(tingue9cuando la corriente cruza por cero:. a rigidez crece linealmente en funcióndel tiempo, hasta alcanzar su estabilización.Si la tensión en el interruptor 9;sen<t: en alg#n instante e(cede a la tensiónde recuperación ;r, ocurre un reencendido. En caso contrario, si la tensión derecuperación ;r se incrementa m!s r!pidamente que la tensión en elinterruptor, no se produce el reencendido.

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Interrupción en )ac&o

a e(tinción del arco en el vac"o se hace pr!cticamente después el primerpaso por cero pues en ese ambiente no se produce ionización.

4iene la desventaja de que debido a su rapidez se producen grandessobretensiones que pueden generar ligeras radiaciones de rayos8(.

TIPS #E INTERR+PTRES #E PTENCIA

#e$nición de interruptor de potencia

El interruptor de potencia es un dispositivo de cone(ión y descone(ión, elcual de acuerdo con las normas &=S' y 'E*, est! denido como un dispositivocapaz de conectar, conducir e interrumpir corrientes bajo condicionesnormales y también conectar y conducir corrientes por tiempo determinado einterrumpirlas bajo condiciones anormales o de falla, tales como las de cortocircuito. 4iene una doble función vital para la cone(ión y descone(ión decircuitos, dado que su comportamiento en estado cerrado es la de unconductor con muy baja resistencia, en estado abierto su comportamientodebe ser la de un aislante ideal.

El proceso de interrupción de un circuito eléctrico con lleva a la ionización delmedio en el cual se hace la separación de contactos, donde surge laformación de un arco eléctrico con una gran liberación de energ"a que puedellegar a alcanzar una temperatura mayor a los >/ ///?* y pueden generarpresiones de hasta 1// @-a contenidas en un volumen de menos de un litro.

Tipo de interruptores por método , medio deinterrupción'

Interruptores de soplo de aire

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Esta tecnolog"a fue presentada en 1AB2 y comercializada en 1AC/, teniendoun gran é(ito en la década de los noventa. En todos los dise)os deinterruptores de soplo de aire, el proceso de interrupción se inicia por laformación del arco entre dos contactos y simult!neamente, con el inicio delarco, con la apertura de una v!lvula neum!tica que produce un soplo de airea alta presión que alarga la columna del arco, la cual es sometida a losefectos de enfriamiento del ujo de aire. %ependiendo de la dirección delujo del aire en relación con la columna del arco, e(isten tres tipos b!sicos deorientación del soplo, los cuales son$ soplo a(ial, soplo radial y soplo cruzado.

-enta*as de los Interruptores de Soplo de Aire'

• =o implican peligro de incendio.• Su operación es muy r!pida.• Son adecuados para el cierre r!pido• Su capacidad de interrupción es muy alta.• a apertura de las l"neas de transmisión sin carga o la de sistemas

altamente capacitivos, no representa mucha dicultad.• Se tiene muy f!cil acceso a sus contactos.

#es)enta*as de los Interruptores de Soplo de Aire'

• 6equiere de la instalación de un sistema de aire comprimido.• Su construcción es mucho m!s complicada.• En caso de que el aire se humedezca lo suciente puede reencender el

arco eléctrico y puede llegar a e(plotar el interruptor.

Interruptores simples de interrupción en aceite

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El primer interruptor en aceite fue dise)ado y construido en los Estados;nidos en 1A/1, fue instalado en un sistema de C/ D0 y fue capaz deinterrumpir entre // y C// &. El dise)o consist"a de dos barriles de maderallenos de una mezcla de aceite y agua. os contactos eran dos navajasverticales que conectaban unos contactos jos para cerrar el circuito. %esdeentonces, este dise)o se fue renando y mejorando pero mantuvo suscaracter"sticas de simplicidad en la construcción y su capacidad parainterrumpir corrientes grandes.

os primeros dise)os de interruptores en aceite no contaban con dispositivosespeciales para contener el arco o para mejorar el proceso de e(tinción delarco. En los primeros dise)os, el arco era simplemente connado en lasparedes de un tanque con aceite, donde el proceso de e(tinción estabaacompa)ado por elongación del arco, por el incremento de presión producidapor el calentamiento del aceite en la región del arco y por la turbulencianatural que se genera por el aceite caliente.

-ara lograr una interrupción e(itosa en esas condiciones, era necesariogenerar un arco relativamente largo. Sin embargo, eran dif"ciles de controlar,y en la mayor"a de los casos resultaban periodos de arqueo muy largos. ascombinaciones aleatorias de arcos largos, que se traducen en altas tensionesde arcos acompa)ados por tiempos largos de arqueo, hacen impredecible laenerg"a de arco que tiene que ser controlada y e(tinguida por el interruptor.

Interruptores en gran )olumen de aceite. /-A'

a caracter"stica principal de este tipo de interruptores es que utiliza el aceite

como medio aislante e interruptivo. Este interruptor pertenece al dise)ooriginal de interruptores en aceite. -osteriormente, cuando las c!marasinterruptivas se agregaron a los interruptores en aceite con peque)asmodicaciones, hechas particularmente en el tanque de aceite, este tipo dedise)o de interruptor de gran volumen en aceite fue muy aceptado. En lamayor"a de los casos para tensiones de hasta B2.> D0 las tres fases delinterruptor est!n contenidas en un solo tanque de aceite. Sin embargo, ungran n#mero de interruptores en el rango de media tensión tienen trestanques independientes, principalmente para tensiones mayores a 1C> D0.as tres fases son operadas simult!neamente por un mecanismo deoperación, para un interruptor de 1C> D0 se requieren apro(imadamente12,/// litros y para un interruptor de 2/ D0 se requieren >/,/// litros.

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INTERR+PTRES EN PE0+E1 -!+2EN #E ACEITE.P-A%ebido a la necesidad de reducir espacio por los altos costos del terreno, a laescasez y al precio del aceite, se desarrolló en Europa el interruptor enpeque)o volumen de aceite, que utiliza vol#menes menores de aceite. Estosinterruptores ocupan apro(imadamente el 2 F de aceite de un interruptor degran volumen de aceite para los mismos valores nominales de tensión ycapacidad interruptiva. a principal diferencia entre estos, es que elinterruptor en peque)o volumen usa el aceite sólo como medio interruptivo ytiene materiales aislantes sólidos para propósitos dieléctricos, mientras queen los de gran volumen el aceite sirve para ambas funciones.Esencialmente el interruptor en peque)o volumen, consta por cada fase deun v!stago móvil de contacto que se introduce en el eje del contacto jo,

ambos contactos est!n contenidos en una c!mara interruptiva localizadadentro de aisladores huecos. Esos aisladores son fabricados de bra de vidrioreforzada para aplicaciones de media tensión y de porcelana para tensionesmayores.En el interruptor en peque)o volumen de aceite, cada fase tiene su propiac!mara, la cual est! a potencial de la l"nea. a parte viva y tierra est!naisladas mediante soportes aislantes, lo cual clasica a éste como uninterruptor de tanque vivo.%ebido al peque)o volumen de aceite utilizado en estos interruptores, sepresenta una carbonización muy r!pida por la interrupción de fallas y, por lotanto, se requiere de un mantenimiento m!s frecuente que en los de granvolumen. Si el mantenimiento no es efectuado en el tiempo requerido, puede

presentarse degradación interna en las supercies aislantes de la c!marainterruptiva, lo cual puede provocar una falla catastróca. Esta es la principaldesventaja y una de las razones del uso limitado de estos interruptores.

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Interruptores en SF3

INTERR+PTRES #E #S PRESINES EN '

El primer interruptor en S+ dise)ado para aplicación en alta tensión fuecomercializado en 1A>A por la compa)"a Gestinghouse. El dise)o originalde este tipo de interruptores fue una modicación a la tecnolog"a de losinterruptores de soplo de aire. Esta modicación consistió en agregar unatrayectoria cerrada para los gases de escape. El aire fue sustituido por gasS+ a alta presión, el cual era liberado por una v!lvula de soplo a través deuna tobera a un recipiente de baja presión en lugar de ser liberado a laatmósfera. El gas S+ era reciclado a través de ltros, comprimido yalmacenado en un recipiente de alta presión para ser utilizado enoperaciones subsecuentes. os mecanismos de operación de losinterruptores de dos presiones en S+ fueron pr!cticamente los mismos

que se usaron para interruptores en aceite con ligeras modicaciones oadaptaciones. Esto debido a que la industria estaba acostumbrada a latecnolog"a en aceite, lo que facilitó la aceptación de los interruptores dedos presiones en S+.as presiones de operación eran del orden de /.2 @-a para el lado de bajay 1.B @-a para el lado de alta, respectivamente. Estos interruptores seclasican del tipo de tanque muerto. El dise)o del interruptor prevalecióen el mercado hasta mediados de los a)os setenta, que fue cuando seintrodujeron los interruptores de soplo de una presión, con un dise)o m!ssimple y conable. ;na de las ventajas de los interruptores de dospresiones es el uso de mecanismos de operación de baja energ"a

comparado con el mecanismo de los interruptores de soplo de unapresión. Sin embargo, desde el punto de vista de energ"a total, se debe deconsiderar la energ"a que se gasta en comprimir el gas para almacenaje yla energ"a adicional que se requiere para prevenir la licuefacción del S+ abajas temperaturas ambientales.

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contactos contin#an separ!ndose, el volumen sigue comprimiéndose ycuando los contactos dejan la garganta de la tobera, se genera un ujo degas a lo largo del eje del arco. Es importante mencionar que, a corrientesaltas, el di!metro del arco puede ser mayor que el di!metro de la tobera,provocando el fenómeno conocido como estrangulación de corriente. Esto

causa un bloqueo total de la tobera sin que e(ista ujo de gas. *omoconsecuencia de ello, la presión sigue elev!ndose debido al cambio en elvolumen y a la energ"a que es e(tra"da del arco por el gas atrapado. Escom#n observar que cuando se interrumpen corrientes grandes,especialmente fallas trif!sicas, la velocidad de apertura de este tipo deinterruptores es menor debido a la presión generada térmicamente, lacual act#a sobre el ensamble del cilindro o pistón. Sin embargo, cuando seinterrumpen corrientes muy peque)as el di!metro del arco es peque)o ypor lo tanto es incapaz de bloquear el ujo de gas, provocando con estouna presión menor para la e(tinción. Heneralmente, para la e(tinción depeque)as corrientes o corrientes de carga, para este tipo de interruptor,

se requiere pre8comprimir el gas antes de que los contactos abran. Estoes resuelto aumentando la penetración del contacto de arqueo.

INTERR+PTRES #E A+T5SP!A#'os interruptores del tipo auto8soplado aprovechan la energ"a térmicaliberada por el arco para calentar el gas e incrementar su presión. Enprincipio, la idea de interruptor de auto8soplado es muy similar alconcepto de olla de e(plosión usado en los interruptores en aceite. El arcose forma a través de un par contactos que est!n localizados dentro deuna c!mara de arqueo y el gas calentado a alta presión es liberado a lolargo del arco después de que el contacto móvil se separa de la c!marade arqueo. En algunos dise)os, para mejorar el proceso interruptivo en elrango de baja corriente, se incluye un soplado adicional. En otros dise)os

se opta por incluir una bobina magnética que genera una fuerza que hacegirar el arco alrededor de los contactos, proporcionando un enfriamientoadicional del arco conforme éste gira a través del gas S+ y ayuda adisminuir la tasa de erosión de los contactos de arqueo y, por lo tanto,incrementa la vida #til del interruptor. a +ig. .2> muestra una seccióntransversal de una c!mara interruptiva de un interruptor de auto8sopladocon bobina magnética.

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os interruptores de soplo y auto8soplado requieren del mecanismo paraproporcionar energ"a para mover el cilindro de la c!mara a velocidades enel rango de a A mIs81. El movimiento del cilindro comprime el gas S+generando un incremento de presión en la tobera, debido a la compresión

y al calentamiento del gas por el arco, que e(tingue los arcos asociados alas diferentes tipos de fallas. as e(periencias en este rubro a nivelmundial en las #ltimas dos décadas dictan que la mayor"a de las fallas eninterruptores son de origen mec!nico.%ebido a esto, los fabricantes de interruptores han dirigido sus esfuerzosa producir interruptores simples con mecanismos conables yeconómicos. -ara lograr esto, han atacado el problema fundamental dereducir las fuerzas en el mecanismo durante la apertura. Este trabajo haconducido al desarrollo de la tercera generación de interruptores, loscuales basando en los interruptores de la segunda generación, con lassiguientes mejoras al dise)o las cuales son m!s económicas comparadas

con las dos generaciones anteriores de interruptores.

• Se ha logrado una reducción de 1/ al 2/F en la energ"a requeridamediante la optimización del dise)o de la c!mara interruptiva, lacual asegura que la duración m!(ima para la corriente m!s alta noe(ceda a 21ms.

• Se ha logrado una reducción del >/ al /F en la energ"a mec!nicamediante el uso del arco para calentar el gas S+, generandosuciente presión para e(tinguirlo y ayudar al mecanismo durantela apertura.

• a c!mara de e(pansión que proporciona la presión de e(tinciónnecesaria a través del calentamiento del gas con la energ"a delarco.

• a c!mara de soplo que proporciona presión de gas suciente parae(tinguir las peque)as corrientes inductivas capacitivas y corrientesde carga.

as principales ventajas del dise)o de los interruptores de la tercerageneración son$a: 'nterrupción m!s suave, que produce sobretensiones bajas en la

interrupción de peque)as corrientes inductivas y capacitivas.

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b: 6equiere mecanismos de baja energ"a, partes móviles m!s ligeras,dispositivos de amortiguamiento m!s simples y cargas menores en basesy otros componentes del equipo.

c: 0ida #til mayor, al menos para realizar 1/,/// operaciones.

d: @ayor conabilidad y menor costo de los interruptores.

INTERR+PTRES EN -AC6'os primeros dispositivos de interrupción en vac"o se comercializaron en ladécada de los cincuenta por la compa)"a Jennings y fue hasta 1A2cuando la compa)"a Heneral Electric introdujo al mercado el primerinterruptor en vac"o para media tensión. os interruptores en vac"o tomanventaja del vac"o debido a sus e(cepcionales caracter"sticas dieléctricas ya sus capacidades de difusión como medio interruptivo, pero uno de losprincipales problemas técnicos que se presentaron al inicio fue eldesgasicamiento de los materiales de los contactos, que es un proceso

necesario para prevenir la degradación del vac"o, debido a la liberación degases que normalmente est!n atrapados en los metales. 7tro problemafue la falta de tecnolog"as adecuadas necesarias para unir o soldarconable y efectivamente las envolventes cer!micas a los e(tremosmet!licos de la c!mara. Estos problemas han sido resueltosincrementando la conabilidad en el sellado de las c!maras interruptivaspara prevenir fugas de vac"o. En los a)os setenta se realizaron intentospara desarrollar interruptores en vac"o para aplicaciones a tensionesmayores a B2.> D0. Sin embargo, esos dise)os no fueron adecuados paracompetir con los interruptores en S+ y el poder del vac"o ha quedadorelegado a aplicaciones en el rango de > a K D0, donde predominan.

El interruptor de vac"o es b!sicamente una botella o c!mara de cer!micasellada de por vida. as c!maras en vac"o se fabrican por dos métodos Elm!s conocido de los métodos es el de estrangulamiento, en el cual lasc!maras son evacuadas individualmente en una plataforma de bombeodespués de que han sido ensambladas. ;na tuber"a de evacuación selocaliza en un e(tremo de la c!mara, en un lado del contacto jo. ;na vezque se alcanza el vac"o, el tubo es sellado con soldadura. *on el segundométodo las c!maras son unidas y evacuadas en hornos especialmentedise)ados. a ventaja de este proceso es que la evacuación se realiza atemperaturas mayores y por lo tanto se logra un mayor grado de pureza

en el vac"o durante el ensamble.

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a presión de operación dentro de la c!mara es del rango de 1/8> 4orr 94orr L

1 mm3g:, en el cual no se puede formar un plasma debido a la ausencia delos !tomos que se requieren para la ionización.

El arco en cuestión se forma #nicamente en un vapor met!lico, producto dela separación de los contactos, para difundirse luego en forma radial. Estoevita un reencendido del arco después del paso natural por cero de lacorriente.

En general se puede decir que los interruptores en vac"o$• Son seguros y conables.• Son compactos.•

4ienen tasa baja de desgaste de contactos.• 6equieren poco mantenimiento.

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7' CNC!+CINES

Es necesario tener un claro conocimiento del fenómeno de arco eléctrico ysus métodos de e(tinción, pues es necesario para poder seleccionarcorrectamente el dispositivo de interrupción.

4odos los interruptores de potencia trabajan bajo los mismo principios deoperación sin importar el voltaje, corriente o potencia a los que estén sujetos,sin embargo sus caracter"sticas de dise)o y sus capacidades de operación seven involucrados a los esfuerzos tanto eléctricos como mec!nicos, por lotanto es importante distinguir entre sus dimensiones, su estructura f"sica, elmedio de e(tinción de arco, etc.

E(isten diferentes tipos de interruptores de potencia, y se pueden dividir eninterruptores de aire, en aceite, en S+ y en vac"o.

8' 9I9!I/RAFIA1. M'nterruptores de potencia y e(tinción del arco eléctricoN, 'smael -érez

Huzm!n.2. &rco Eléctrico, GiDipedia.com. &rco Eléctrico, elrincondelvago.com

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