int de pot_tesis_uv.pdf

INTERRUPTORES DE POTENCIA Y EXTINCION DEL ARCO ELECTRICO

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UNIVERSIDAD VERACRUZANA_______

FACULTAD DE INGENIERA MECNICA ELCTRICA

CD. MENDOZA, VER.

PARA ACREDITAR LA EXPERIENCIA RECEPCIONAL

DE LA CARRERA

INGENIERO MECNICO ELECTRICISTA

TTULO DEL TEMA:

INTERRUPTORES DE POTENCIA Y EXTINCIN DEL ARCO

ELCTRICO

MODALIDAD:

MONOGRAFA

NOMBRE DEL ALUMNO:

ISRAEL PREZ GUZMN

CD. MENDOZA., VER. FEBRERO 2012


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AGRADECIMIENTOS

A DIOS:

Por darme la oportunidad de vivir y lograr terminar mis estudios, el cuidar de mi familia y

los seres queridos que siempre me apoyaron para lograr mi meta, por comprender la

debilidad de mi alma y darme la fuerza de sobresalir cada da.

A MIS PADRES:

Gracias a mis padres Mari y Juan, por apoyarme durante todo el tiempo de mis estudios,

me ensearon los principios, los valores y los cimientos con los que logre dar el siguiente

paso cada da. Por la confianza y la comprensin en cada etapa de mi vida.

A LA UNIVERSIDAD VERACRUZANA:

A esta gran institucin que da a da forja grandes profesionistas, siendo una universidad de

las ms importantes del estado y del pas, que por ella siento una gran admiracin y un gran

respeto.

A LA FIME CD. MENDOZA:

Con gran admiracin y gratitud para esta facultad que guarda una historia inigualable, y

que no sera nada sin sus acadmicos y el personal administrativo, a todos ellos mi

agradecimiento y mi respeto.

A MI JURADO:

El Dr. Rubn Villafuerte Daz, el Ing. Vctor Manuel Hernndez Paredes,

el Ing. Delfino Hernndez Garca. Y el Ing. Mario Silva Villegas. A todos ellos mis

respetos y agradecimiento por compartir sus conocimiento y su experiencia con el cual no

sera posible este trabajo.


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A MI FAMILIA:

A mi abuelito Don Prudencio Guzmn, mis tos Alejandra y Pepe, Patricia y Manuel, Mi

padrinos Isabel y Javier, mis primas Indira, Beln que sin su apoyo no lograra alcanzar

mis metas y objetivos, gracias a todo ellos, por los consejos que me hicieron ms fcil el

camino, por los regaos que me hicieron corregir el rumbo. Para ellos mis respetos y mi

agradecimiento.

A MI TO MAURICIO:

Un agradecimiento especial a mi to el Ing. ngel Mauricio Guzmn Avendao, que

comparti conmigo su experiencia, su conocimiento y me ayudo a forjarme como

profesionista, logrando as alcanzar m meta.

A LILIANA:

Por ser mi apoyo e inspiracin, por tu tiempo y comprensin, sabes que por ti siento un

cario muy especial y una gran admiracin por ser una persona ejemplar y una buena

compaera. Te Amo.

A MARIEL, ROGELIO E IKER:

A esta nueva familia Mariel, Rogelio e Iker, que apenas inician esta gran aventura juntos

como familia, que se llene de alegra y paz su nuevo hogar. Te quiero hermana.

AMIGOS Y COMPAEROS:

A todos mis amigos y compaeros, que me brindaron su amistad, que me dieron su apoyo y

que compartieron con migo grandes aventuras, a ellos que algn da espero verlos

realizados profesionalmente y compartir las experiencias y conocimientos.


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NDICE

INTRODUCCIN....8

OBJETIVO.....10

CAPTULO I

EL ARCO ELCTRICO Y SU COMPORTAMIENTO EN EL INTERRUPTOR......11

1.1 Introduccin..............12

1.2 El arco elctrico....12

1.2.1 Fsica de la materia...............12

1.2.2 Proceso de ionizacin...13

1.2.3 Desionizacin...16

1.2.4 Cada de tensin del arco..16

1.2.5 Comportamiento trmico..19

1.2.6 Prdidas de calor del plasma................19

1.3 Interrupcin de circuitos de C.D. y C.A.................20

1.4 Tcnicas de extincin del arco elctrico.................20

1.4.1 Interrupcin por alta resistencia...............20

1.4.2 Interrupcin por baja resistencia o de corriente cero....23

1.4.3 Extincin en corriente alterna...23

1.5 Teoras generales para la interrupcin de circuitos....24

1.5.1 Teora de Slepian..25

1.5.2 Teora de Prince....26

1.5.3 Teora de Cassie...26

1.5.4 Teora de Mayr.26

1.5.5 Teora de Browne.26

1.6 Transitorios Elctricos........27

1.7 Comportamiento del arco elctrico....29

1.8 La tensin despus de la corriente cero final.................30

1.9 Tensin transitoria de restablecimiento..................31

1.10 Principio de operacin de los contactos de un interruptor.................31

1.11 Proceso de cierre....33

1.12 Proceso de apertura34

CAPTULO II

NORMAS Y CARACTERISTICAS NOMINALES PARA INTERRUPTORES DE

POTENCIA................37

2.1 Introduccin..38

I


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2.2 Norma NRF-022-CFE-2006.............38

2.3 Objetivo................39

2.4 Condiciones normales de operacin. ...39

2.5 Caractersticas Nominales................40

2.5.1 Tensin nominal y Tensin mxima de diseo....40

2.5.2 Corriente nominal y corriente nominal de corto circuito ............................................41

2.5.3 Corriente sostenida de corta duracin..42

2.5.4 Corriente de cierre en corto circuito.42

2.5.5 Corriente de interrupcin fuera de fase....42

2.5.6 Frecuencia nominal..42

2.5.7 Presin nominal de operacin del gas para interrupcin..42

2.5.8 Capacidad interruptiva nominal..42

2.5.9 Secuencia de operacin nominal......................44

2.5.10 Simultaneidad en la operacin de los polos...............45

2.5.11 Corriente capacitiva nominal de interrupcin ...........................................................46

2.5.12 Nivel bsico de aislamiento al impulso (BIL)............46

2.5.13 Soporte con impulso de maniobra..............47

2.5.14 Niveles de contaminacin...............49

2.5.15Relacin entre nivel de contaminacin y la distancia mnima de fuga ......................50

2.5.16 Dimetro promedio de aisladores...............51

2.5.17Tensiones de control y del equipo auxiliara de interruptor ........................................51

2.5.18 Bastidores de soporte.............52

2.5.19 Gabinetes............52

2.5.20 Elementos mnimos del gabinete central............53

2.5.21 Alarmas y bloqueos............53

2.5.22Indicador visual de la posicin de apertura y cierre ...................54

2.5.23 Dispositivo para medicin de densidad y presin del gas SF6..............55

2.5.24 Accesorios del mecanismo de operacin............55

2.5.25 Resistencias de pre insercin..............56

2.5.26Capacitores para mejorar la distribucin del potencial ..............................................56

2.5.27 Accesorios contra sismos...............56

2.5.28 Placa de datos del interruptor de potencia..............57

2.5.29 Caractersticas de seguridad del personal...............58

2.5.30 Distancias mnimas de seguridad con partes energizadas..............59

CAPTULO III

TIPOS DE INTERRUPTORES DE POTENCIA Y MECANISMOS DE OPERACIN................60

3.1 Introduccin...............61

3.2 Clasificacin de los interruptores...............63

3.2.1 Tipos de interruptores por nivel de tensin..............63

II


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3.2.2 Tipos de interruptores por lugar de instalacin.........................64

3.2.3 Tipos de interruptores por caractersticas externas de diseo..............64

3.2.4 Tipos de interruptores por mtodo y medio de interrupcin............66

3.2.5 Tipos de interruptores por mecanismo de accionamiento............66

3.3 Interruptores de soplo magntico...............67

3.4 Interruptores de soplo de aire.............68

3.5 Interruptores simples de interrupcin en aceite.............70

3.6 Interruptores en gran volumen de aceite, GVA.............72

3.6.1 Tipos de cmaras de extincin para interruptores GVA..............73

3.7 Interruptores en pequeo volumen de aceite, PVA................74

3.7.1 Tipos de cmaras de extincin usadas en interruptores de pequeo volumen de

aceite.............75

3.7.2 Interruptores de Agua...............77

3.8 Interruptores en gas SF6.............78

3.8.1 Primera generacin de interruptores en SF6..............78

3.8.1.1 Interruptores de dos presiones en SF6..............78

3.8.2 Segunda generacin de interruptores en SF6...............80

3.8.2.1 Interruptores de soplo de una Presin..............80

3.8.3 Tercera generacin de interruptores en SF6.............83

3.8.3.1 Interruptores de auto-soplado...............83

3.9 Interruptores de potencia en subestaciones aisladas en SF6................88

3.10 Interruptores en vaco.................90

3.11 Mecanismos de operacin..............93

3.11.1 Mecanismo de resortes. .............94

3.11.2 Mecanismo Neumtico...............97

3.11.3 Mecanismo Hidrulico.............100

CAPTULO IV

MEDIOS DE EXTINCIN DEL ARCO ELCTRICO. ...............................................104

4.1 Aceite aislante................105

4.2 Aire.............108

4.3 Vacio..............109

4.4 Hexafluoruro de azufre (SF6)................111

4.4.1 Efectos adversos del SF6 y de sus productos de descomposicin.............114

4.4.2 Neutralizacin del SF6 y su interaccin en la atmosfera...............115

CONCLUSIN................119

GLOSARIO..............121

BIBLIOGRAFIA..............123

III


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INTRODUCCIN. Durante estos ltimos 100 aos, la electricidad se ha convertido en la forma de

energa ms rentable, flexible y fiable del mundo, es sinnimo de desarrollo y

progreso para los pases, y comodidad para la sociedad, de una u otra forma la

demanda global de la energa elctrica va en aumento. Con ello se ha obligado a

tener una infraestructura que permita suministrar de forma segura y eficiente la

energa elctrica, pero el desarrollo es cada vez mayor y la necesidad de

introducir equipo nuevo supone nuevos retos de operacin.

Lo anterior ha obligado a empresas tanto de tipo gubernamental como del sector

privado a invertir en una infraestructura capaz de cumplir con la demanda

creciente de energa, ya sea actualizando su equipo obsoleto o realizando planes

de mantenimiento para prolongar la vida til de estos. Se han visto en la

necesidad de mejorar o construir lneas nuevas de alta tensin para el transporte

de la energa, desde las grandes centrales generadoras hasta los centros de

consumo, pasando por las grandes subestaciones de potencia, ya sean

elevadoras o reductoras aprovechando las nuevas tecnologas.

Estas tecnologas se han visto reflejadas en los diversos equipos, incluyendo a los

interruptores de potencia, que forman parte del control y funcionamiento seguro de

cualquier red elctrica, cuya funcin es asegurar el flujo continuo de corriente en

condiciones normales de operacin. Son necesarios en las centrales generadoras

de energa, donde se ha de poder conectar y desconectar toda la potencia

generada, de igual forma se utilizan en las redes de transmisin y distribucin en

las que es preciso controlar corrientes muy altas y altos niveles de tensin. En el

caso de falla los interruptores son capaces de interrumpir dicho flujo de energa

aislando el elemento de falla, protegiendo al resto del equipo y al personal en

servicio, evitando consecuencias mayores.

La necesidad de inventar y mejorar equipos para la conexin y desconexin de

redes elctricas capaces de establecer e interrumpir el flujo de corriente, hizo

surgir los primeros diseos de interruptores, los cuales fueron muy rudimentarios y

estaban basados en conocimientos empricos. Estos diseos fueron mejorando en


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funcin del crecimiento de los sistemas elctricos, obligando a los diseadores

incluir el uso de herramientas sofisticadas para poder logra interruptores ms

confiables y de mayor capacidad.

Para que el interruptor realice con xito sus funciones es necesario que cuente

con dos cosas, un buen diseo mecnico que ha de cumplir con los

requerimientos de apertura y cierre de sus contactos en tiempo y forma, y tambin

debe de contar con un buen diseo elctrico para asegurar que el interruptor

soporte esfuerzos elctricos y trmicos a los que es sometido en su vida de

operacin.

Cada vez es ms complejo disear interruptores de potencia, conforme se

incrementan las corrientes de falla, las tensiones y al mismo tiempo cuando se

trata de reducir los tiempos de liberacin de la falla, este ltimo requerimiento es

para mantener una estabilidad adecuada en el sistema elctrico, adems de que

deben de cumplir con ciertos requisitos y normas.

Por otra parte se ha avanzado mucho en investigaciones con respecto a

interruptores y se han desarrollado nuevas tecnologas donde el uso de programas

de computadora han permitido clarificar el comportamiento del arco elctrico

durante la interrupcin del mismo, esto mediante diseo de modelos y

combinando diferentes ramas de la ciencia como la dinmica de fluidos y la

termodinmica. Para el propsito de mejoras se utilizan programas de diseo

asistido por computadora en el anlisis del comportamiento elctrico y mecnico

de los interruptores.

Adicionalmente se ha abierto un mercado muy amplio en la demanda de

interruptores con forme a las diferentes necesidades de operacin, esto en pro de

enfrentar la creciente demanda de los sistemas de potencia, para logarlo estn

diseando nuevas generaciones de interruptores con grandes estndares en el

mercado haciendo cumplir requerimientos de anlisis, diseo, medicin y pruebas.


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Dado que estas tecnologas avanzan, los ingenieros as como los estudiantes de

ingeniera deben de estar en una constate actualizacin en los sistemas y en los

equipos que se utilizan, comprendiendo y analizando su historia, sus principios de

operacin y las nuevas tendencias que se tienen para el mejoramiento de los

sistemas elctricos de potencia, para el uso correcto y eficiente de la energa

elctrica.

OBJETIVO

El objetivo principal de este trabajo, es proporcionar una amplia informacin

relacionada con los sistemas elctricos de potencia y en especial con el equipo

que est en relacin, como en este caso son los interruptores de potencia

localizados en la grandes subestaciones elctricas donde ahora es muy comn

que los estudiantes en especial los de ingeniera tengan acceso a travs de

visitas guiadas, el servicio social y prcticas profesionales.

El tema de interruptores de potencia y extincin del arco elctrico, est enfocado a

aquellas personas interesadas en la historia y operacin de los interruptores,

mecanismos de accionamiento y medios de extincin del arco elctrico, que son

utilizados en las subestaciones elctricas de transmisin, sub-transmisin y

distribucin

.


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CAPTULO I

EL ARCO ELCTRICO Y SU COMPORTAMIENTO EN EL INTERRUPTOR.


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1.1 INTRODUCCIN.

Desde que el hombre intento interpretar el comportamiento de la electricidad se

determinaron dos principios fundamentales para interrumpir el flujo de la corriente.

La primera es reduciendo a cero el potencial que la genera y la segunda es

separando fsicamente el conductor por donde circula el flujo de corriente. Esta

ltima opcin es la ms utilizada para interrumpir un circuito elctrico. Para

interrumpir una corriente es necesario que el elemento de corte pase de tener una

impedancia prcticamente nula a una impedancia infinita, convirtindose en un

aislante que impida la circulacin de corriente.

Este principio se aplica a cualquier interruptor, en donde los primeros

interruptores que se inventaron, consistan de unas barras conductoras

sumergidas en mercurio. Posteriormente se dise el interruptor con cuchillas, que

a un son usadas en algunas aplicaciones de baja tensin y baja potencia. En los

interruptores modernos, la interrupcin es un proceso de separacin de sus

contactos. Al momento de separarse los contactos forman un entrehierro que es

puenteado por un plasma conductor. El proceso termina cuando el plasma

conductor pierde su conductividad. Este plasma es a lo que se conoce como el

ncleo del arco elctrico, siendo un elemento que siempre se presenta en el

proceso de interrupcin de corriente. Basndose en lo anterior se deduce que el

proceso de extincin del arco elctrico constituye al principio sobre el que se basa

la interrupcin de corriente. Por lo tanto se necesita el conocimiento sobre la

teora del arco elctrico para entender el proceso de interrupcin de la corriente.

1.2 EL ARCO ELCTRICO. 1.2.1 FSICA DE LA MATERIA. Para comprender la naturaleza del arco elctrico, es necesario entender primero la

estructura de la materia. La cual est formada por tomos, que este a su vez se

divide en partculas ms pequeas que son el neutrn, el protn y el electrn. El

ncleo de los tomos est formado por neutrones y protones, el cual tiene una

medida de de dimetro. Los electrones giran en orbitas alrededor del


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ncleo, en un tomo con carga cero se tienen igual cantidad de protones y

neutrones, las cargas del protn y electrn son iguales pero con polaridad

opuesta, la cual es de En la figura 1.1 se muestra un ejemplo de la

estructura de tomos.

Figura 1.1 Estructura atmica del hidrogeno, consiste en un protn y un electrn.

1.2.2 PROCESO DE IONIZACIN.

La ionizacin es un proceso donde se desprenden uno o ms electrones de un

tomo o molcula, esto provoca la descomposicin de los tomos elctricamente

neutros, en iones con carga positiva y electrones con carga negativa. El arco

elctrico genera una descarga capaz de producir por s misma la cantidad de

iones y electrones necesarios para mantener la circulacin de corriente en el seno

de una masa gaseosa. El proceso de ionizacin consume cierta cantidad de

energa y se efecta de ciertas maneras:

Ionizacin trmica o emisin terminica: es el resultado del choque aleatorio

de electrones en un a medio gaseoso con temperatura alta.

Ionizacin por impacto o emisin de campo: se produce al acelerar un electrn

o un ion mediante la accin de un campo elctrico. La energa cintica adquirida

por el electrn provoca colisiones entre electrones y, por consecuencia, su

desprendimiento del tomo o molcula.

Debido a la ionizacin, el entrehierro formado entre los contactos del interruptor,

es conductivo.

La emisin de electrones libres y la iniciacin de un arco elctrico entre dos

electrodos, se puede producir por:


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Aumento de la temperatura debido a emisin termoinica.

Incremento de tensin en el ctodo, provoca la emisin de campo.

Las condiciones existentes, en el momento de la separacin de los contactos del

interruptor provocan uno o ambos procesos anteriormente mencionados.

En el proceso de la separacin de los contactos, el rea de contacto y la presin

disminuyen (fig. 1.2), produciendo un incremento de la resistencia hmica y de la

temperatura. Esto se puede comprobar de acuerdo con la frmula de la resistencia

o resistividad del material (Ecu.1.1).

Dnde:

Ecu.1.1 Resistencia del material.

Tabla 1.1 Tabla de resistividades y temperaturas de resistividades de materiales.

Tabla de resistividades y coeficientes de temperatura de resistividad para diversos materiales

Material ( ) Coeficiente de temperatura

Plata Cobre Oro

Aluminio Tungsteno

Hierro Platino Plomo

Carbn

Germanio Silicio 640 Vidrio

Caucho Duro Azufre

Cuarzo fundido


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Ejemplo 1.1: Calcule la resistencia de un conductor de aluminio que mide 10 cm

de largo y tienen un rea de seccin transversal de .

Solucin: de (Ecu. 1.1) y la tabla 1.1 podemos calcular la resistencia del

conductor de aluminio.

El incremento de la temperatura, puede ser suficiente para provocar la ionizacin

trmica. El incremento de la resistencia hmica puede ser pequeo, pero el

incremento en la corriente puede ser extremadamente alto, del orden de cientos o

miles de Amperes, ocasionando una cada de tensin de unos cuantos volts.

Como la distancia de separacin es muy pequea la variacin de tensin es

grande. Esta variacin es suficiente para iniciar la emisin de electrones del

ctodo provocando la ionizacin por impacto. La ionizacin vara conforme al

material, forma y separacin de los contactos.

Al iniciar el arco entre los electrodos se liberan suficientes electrones del ctodo

con direccin al nodo provocando que el medio se ionice. Esta ionizacin libera

electrones que mantienen el arco an despus de haber cesado la emisin de

campo. En consecuencia cada electrn emitido se multiplica en nmero derivando

energa del campo. El proceso de difusin y recombinacin contina respondiendo

los electrones perdidos al nodo. Finalmente, si el flujo de corriente es alto, se

establece un arco con temperatura suficiente como para convertirse en la fuente

principal de conductividad elctrica.


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Fig. 1.2 Proceso de interrupcin de un circuito en aire. Las flechas pequeas indican la direccin del flujo de corriente y las flechas grandes indican la direccin del movimiento de los contactos

1.2.3 DESIONIZACIN.

La des-ionizacin es el proceso de restaurar un gas ionizado, compuesto de iones

positivos y electrones, a su estado original elctricamente neutro. Es por este

proceso que el entrehierro formado entre los contactos de un interruptor tiene la

conversin de un gas aislador.

1.2.4 CADA DE TENSIN DEL ARCO.

El arco elctrico se representa como una resistencia conectada entre los

electrodos que se forma. Esto implica la existencia de una cada de tensin

llamada . Esta cada de tensin tiene tres componentes: la cada de tensin

andica Ua, la cada de tensin catdica Uc y la cada de tensin de la columna o

canal plasmtico Us..


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Agrupando las cadas de tensin en la proximidad de los electrodos, la tensin

total del arco se puede representar en el siguiente esquema:

Fig. 1.3 Esquema simplificado de las tensiones asociadas al arco elctrico entre dos electrodos.

Por ser un conductor gaseoso, la cada de tensin del arco elctrico vara en

forma inversa a la intensidad del flujo de corriente. Por lo tanto, la caracterstica

tensin-corriente es decreciente, es decir, la resistencia elctrica del arco es

negativa.

En efecto, si se aplica una diferencia de potencial entre dos electrodos, el arco se

inicia para un valor determinado Ub0. Si la corriente i se incrementa, la

temperatura y la ionizacin tambin aumentan, reduciendo la resistencia al flujo de

corriente y la cada de tensin a travs del arco. Si la corriente i disminuye, la

curva caracterstica de corrientecada de tensin pasa por debajo de la curva

caracterstica que se obtiene al incrementar la corriente y el arco se extingue para

una tensin Ub1. Esto es vlido solamente para corriente continua.


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Fig. 1.4 Cada de tensin a travs de un arco elctrico en funcin de la corriente.

En corriente alterna, la intensidad del arco vara con la frecuencia y pierde su

carcter estacionario. La diferencia de potencial entre los extremos de un arco de

corriente sinusoidal, para un entrehierro constante tiene la forma que se indica en

la Fig. 1.5.

Fig. 1.5 Arco elctrico en un circuito de C.A.


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1.2.5 COMPORTAMIENTO TRMICO.

La interrupcin de un circuito con carga siempre genera una descarga de arco

entre los contactos del interruptor. Durante este proceso, se libera una gran

cantidad de energa, la mayor parte en forma de calor.

Esta energa puede ser muy grande y ocasionar daos a los contactos del

interruptor, vaporizacin del medio interruptivo, aumento de la presin en el interior

del tanque, etc. Para evitar los daos que puede sufrir un interruptor, se requiere

reducir el tiempo de arqueo.

En los interruptores de corriente alterna esto se logra con la desionizacin de la

trayectoria del arco, mediante la apertura del interruptor en el instante del cruce

por cero de la onda de corriente.

Si el arco de C.A. se interrumpe bruscamente, se genera un transitorio de tensin

entre los contactos del interruptor, debido a la inductancia del circuito. La

interrupcin o extincin del flujo de corriente en el circuito ocurre en el instante en

el que la corriente llega a cero. En otras palabras, el arco de C.A. sincroniza el

instante de apertura del circuito con el cruce por cero de la corriente,

independientemente del instante en que se separan los contactos.

1.2.6 PRDIDAS DE CALOR DEL PLASMA.

Un arco elctrico pierde calor debido a:

Conduccin.

Conveccin.

Radiacin.

Las prdidas que ocurren en un interruptor son nicamente por conduccin y por

conveccin, ya que por radiacin es despreciable. En los interruptores en aceite se

forman arcos en las toberas o tubos y en las ranuras angostas, por lo que casi

todas las prdidas son por conduccin. Para interruptores de soplo de aire, la


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prdida de calor es por conduccin y conveccin, al igual que en arcos que se

forman en aire.

1.3 INTERRUPCIN DE CIRCUITOS DE C.D. Y C.A.

La interrupcin de un circuito de C.D. y de otro de C.A. implica procesos distintos

debido a la naturaleza de las corrientes.

En el caso de circuitos de C.D. no existen valores de corriente cero, ni tiempos

donde la corriente sea cero. Por lo tanto, para lograr la interrupcin, la corriente

debe ser forzada hasta alcanzar un valor de cero. Esto se logra aumentando la

resistencia del arco hasta que su cada de tensin sea igual a la tensin del

circuito, lo que se efecta con la elongacin del arco o la reduccin forzada del

arco.

Para el caso de circuitos de C.A. s ocurren valores de corriente cero. Por lo tanto,

para lograr la interrupcin, slo es necesario impedir el reencendido del arco

despus de un valor de corriente cero. Esto, se logra con la desionizacin del

entrehierro formado entre los contactos del interruptor.

1.4 TECNICAS DE EXTINCION DEL ARCO.

En trminos generales, se conocen tres mtodos de extincin del arco elctrico en

los interruptores:

Interrupcin por alta resistencia.

Interrupcin por baja resistencia.

Interrupcin en vaco.

1.4.1 INTERRUPCIN POR ALTA RESISTENCIA.

En este caso, el objetivo es incrementar la resistencia del arco en funcin del

tiempo y reducir la corriente hasta lograr la extincin. La desventaja principal de

este mtodo de interrupcin es la gran cantidad de energa disipada, por lo tanto,

slo se usa en interruptores de baja y mediana tensin, as como en interruptores

de corriente directa.

Para incrementar la resistencia del arco se emplean las tcnicas siguientes:


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Elongacin del arco. Como la resistencia del arco es aproximadamente

proporcional a su longitud, alargando el arco su resistencia aumenta, ver Fig. 1.6.

Fig. 1.6 Elongacin del arco elctrico por la accin del empuje trmico.

Enfriamiento del arco. La tensin requerida para mantener la ionizacin aumenta

cuando la temperatura disminuye, por lo que enfrindolo su resistencia aumenta,

ver Fig. 3.7.

Fig. 1.7 Representacin esquemtica de la tcnica de enfriamiento del arco en un interruptor

neumtico.

Divisin del arco. Cuando se establece un arco, existe una tensin apreciable

entre las superficies de los contactos. Si el arco se divide en arcos pequeos, en

serie, se reduce la tensin de la columna, ver Fig.1.8.


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Estas tcnicas son las ms empleadas para aumentar la resistencia del arco de

corriente directa y tambin se aplican en la interrupcin de corrientes alternas, de

hasta 660 V. Para niveles de tensiones mayores es necesario recurrir a nuevas y

diferentes tecnologas.

Fig. 1.8 Representacin esquemtica de la divisin de un arco.

Fig. 1.9 Representacin esquemtica de una cmara de arqueo del arco.


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1.4.2 INTERRUPCIN POR BAJA RESISTENCIA O DE CORRIENTE CERO. Este mtodo se emplea para la interrupcin de arcos de corriente alterna aprovechando que el arco se extingue por s solo, 120 veces por segundo en un sistema de 60 Hz, cada vez que la corriente cruza por cero. Este fenmeno se representa en la Fig. 1.10 y es ms conocido como HISTRESIS DEL ARCO.

Fig. 1.10 Comportamiento del arco en corriente alterna (histresis del arco).

1.4.3 EXTINCIN EN CORRIENTE ALTERNA.

La extincin del arco elctrico en corriente alterna est relacionada con el cruce

por cero de la corriente. La de-ionizacin o recuperacin de la rigidez dielctrica

del entrehierro, inicia en el momento en que el arco se extingue (cuando la

corriente cruza por cero). La rigidez crece linealmente en funcin del tiempo, hasta

alcanzar su estabilizacin.

Si la tensin en el interruptor (Usent) en algn instante excede a la tensin de

recuperacin Ur, ocurre un reencendido. En caso contrario, si la tensin de

recuperacin Ur se incrementa ms rpidamente que la tensin en el interruptor,

no se produce el reencendido.


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Fig. 1.11 Comportamiento de las tensiones durante el proceso de interrupcin.

El comportamiento anterior vara si se considera un circuito inductivo o capacitivo.

Estos circuitos son muy importantes, porque los sistemas de transmisin de

energa suelen tener reactores en derivacin o bancos de capacitores en serie.

Adems, la desconexin de un transformador operando en vaco representa una

inductancia.

En los circuitos inductivos o capacitivos, el cruce por cero de la corriente coincide,

segn el caso, con el valor mximo de la tensin. En este tipo de circuitos es

comn que se presenten reencendidos. Esto se debe al extinguirse el arco al

cruzar la corriente por cero, la tensin del circuito excede a la tensin de

recuperacin.

1.5 TEORAS GENERALES PARA LA INTERRUPCIN DE

CIRCUITOS.

La complejidad del comportamiento del arco durante el proceso de interrupcin, ha

provocado el desarrollo de modelos que describen este proceso. Los primeros

modelos estaban concentrados en la regin de corriente cero. Los modelos

recientes se enfocan en calcular el dimetro del arco en la corriente mxima.

Estos modelos son una aproximacin del fenmeno de interrupcin. A

continuacin se presenta un resumen de las principales teoras.


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Pag. - 25 -

1.5.1 TEORA DE SLEPIAN.

La teora Slepian, tambin conocida como teora de carrera, establece que la

interrupcin se logra siempre que la fuerza dielctrica del entrehierro se

incremente ms rpidamente que la tensin del sistema.

Este proceso inicia inmediatamente despus del cruce por cero, cuando los

electrones son forzados a alejarse del ctodo creando una zona o capa de iones

positivos en la regin del ctodo.

La Fig. 1.13 muestra la representacin grfica de esta teora, en donde se

presentan dos casos. El primero donde la fuerza dielctrica del entrehierro se

incrementa ms rpido que la tensin del sistema y no ocurre el reencendido. En

el segundo caso, la tensin del sistema crece ms rpido que la fuerza dielctrica

del entrehierro y por lo tanto ocurre el reencendido.

Fig. 1.13 Representacin grfica de la teora de Slepian.


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1.5.2 TEORA DE PRINCE.

A esta teora tambin se le conoce como teora de desplazamiento o de cua.

sta establece que el circuito es interrumpido si la longitud de la ruta del arco se

incrementa durante la interrupcin hasta que la tensin de recuperacin no es

suficiente para provocar un reencendido.

Cuando la corriente cruza por cero, el arco es dividido en dos por un flujo de gas

fro, quedando entre cada parte semiconductora del arco una columna de gas fro

no conductivo.

1.5.3 TEORA DE CASSIE.

Esta teora est basada en la conductividad del arco y asume que las prdidas de

un arco de alta corriente son principalmente por conveccin y que la temperatura

es constante en todo el arco. La temperatura del arco se mantiene

independientemente de la seccin transversal de este.

1.5.4 TEORA DE MAYR.

Considera que el dimetro de la columna de arco es constante y que la

temperatura vara en funcin del tiempo y del dimetro. Tambin asume que la

cada de la temperatura se debe a la conduccin trmica y que la conductividad

elctrica del arco depende de la temperatura.

1.5.5 TEORA COMBINADA DE BROWNE.

sta es un modelo que combina las teoras de Cassie y de Mayr. Considera que

antes del cruce por cero, la corriente est definida por el circuito a interrumpir y

despus del cruce por cero, la tensin en el entrehierro est determinada por el

arco. Tambin considera que la teora de Cassie es vlida para corrientes altas

antes del cruce por cero y para el instante posterior al cruce por cero, seguido por

un reencendido trmico.

El modelo de Mayr sirve de enlace entre los dos periodos de tiempo para los que

es vlido el modelo de Cassie. Esta teora es usada como herramienta para el

diseo y evaluacin de circuitos de interrupcin.


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1.6 TRANSITORIOS ELCTRICOS.

Despus de haber considerado de una forma general la naturaleza e importancia de

un arco en un interruptor, el siguiente paso es la evaluacin de la tarea que un

interruptor debe realizar, es decir, con las fuerzas que tiene que enfrentarse.

Las condiciones bajo las cuales el interruptor tiene que trabajar, estn dadas por las

caractersticas elctricas del circuito al cual el interruptor pertenece.

La apertura o cierre de un interruptor en un circuito est siempre acompaado por

una modificacin del estado elctrico del circuito. Esta modificacin comprende una

fase transitoria durante la que se producen en los circuitos afectados por la

maniobra de acoplamiento, una serie de fenmenos transitorios, cuyo conjunto

provoca el paso de un estado a otro. Los fenmenos que se desarrollan en esta

fase intermedia tienen gran importancia para la tcnica de los interruptores y se

designan, de una manera general, como fenmenos elctricos de acoplamiento.

Cuando las condiciones del circuito varan; el circuito puede dar toda o parte de su

energa almacenada o almacenar energa adicional, dependiendo de los valores

relativos de L y C.

Para tener una mejor comprensin de los fenmenos transitorios, supongamos que

tenemos un circuito como el que se indica en la Fig. 1.14, compuesto por una

fuente de fuerza electromotriz, una inductancia en serie (L) y una capacitancia en

paralelo (C) que nos puede representar, en forma muy simplificada un circuito real.

Fig. 1.14 Circuito L-C para ilustrar la interrupcin de una corriente alterna.


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En el instante t1 (ver Fig. 1.15) se inicia la separacin de los contactos del

interruptor y se establece un arco, el cual mantiene el flujo de la corriente en el

circuito.

La corriente total proporcionada por la fuente se divide entre el arco y el capacitor.

En un principio, la cada de tensin a travs del arco y la tensin aplicada al

capacitor son muy pequeas, tomando el capacitor muy poca corriente. A medida

que la cada de tensin a travs del arco aumenta, la corriente en el capacitor

tambin aumenta, por lo tanto, la corriente del arco disminuye.

Cuando el arco se interrumpe poco antes del cruce por cero de la corriente, debido

a la accin de los agentes desionizantes, la tensin del capacitor se incrementa

bruscamente, produciendo un transitorio en el circuito. El transitorio se amortigua

en funcin de la resistencia del circuito.

La tensin aplicada entre los contactos se incrementa hasta el punto P, llamado

punto de extincin, cuya magnitud depende de la energa electromagntica. La

magnitud est dada por la siguiente expresin:

Dnde: il es la corriente en el capacitor en el instante de la interrupcin. V es la tensin de la fuente Vc es la tensin entre contactos

Ecu. 1.2 ecuacin de punto de extincin.

La tensin entre contactos oscila alrededor del valor de cresta de la tensin de la

fuente, que est adelantada 90 con respecto a su corriente.

Esta tensin transitoria, llamada Tensin Transitoria de Restablecimiento o TTR,

puede alcanzar hasta dos veces el valor de cresta de la tensin sinusoidal de la

fuente. En un circuito real esta oscilacin se amortigua por la resistencia del

circuito.


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Fig. 1.15 Proceso de interrupcin en un circuito L-C con C.A.

Si la rigidez dielctrica Rd del medio de extincin del entrehierro es mayor que la

tensin entre los contactos, el arco se extingue y el circuito queda abierto. Si la

rigidez dielctrica no es suficiente para soportar la tensin entre los contactos, el

arco se reenciende, como se observa en la Fig. 1.15.

1.7 COMPORTAMIENTO DEL ARCO.

Las caractersticas elctricas del circuito a interrumpir influyen en el

comportamiento del arco. La Fig. 3.16 muestra el comportamiento del arco

elctrico en un circuito inductivo.

Fig. 1.16 Oscilograma caracterstico de la desconexin de un circuito inductivo en el instante de

separacin de contactos (B).


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En el instante B se inicia la separacin de contactos del interruptor y se establece

el arco elctrico. A la tensin del arco se le denomina UB, si sta es despreciable

en comparacin con la tensin de la red o del sistema, entonces, el arco se

mantiene hasta que la corriente cruza por cero. La extincin o reencendido del

arco en el cruce por cero de la corriente, depende de la frecuencia oscilatoria y de

la tensin de recuperacin en la cmara de interrupcin. Si la pendiente S de la

frecuencia oscilatoria es lo suficiente elevada, entonces ocurrir un reencendido

del arco.

El reencendido se produce si los contactos se separan en el valor mximo de la

corriente (punto B) o en algn punto cercano a este. Esto se debe a que el

prximo cruce por cero es muy pronto y no permite la de-ionizacin del entrehierro

de los contactos. En consecuencia, el transitorio de tensin arquea el entrehierro.

En la prctica, existe un desplazamiento respecto al tiempo entre la separacin de

los contactos y el inicio del corto circuito. Esto se debe principalmente a la inercia,

a la accin de los relevadores y otros dispositivos de mando que actan en el

interruptor.

1.8 LA TENSIN DESPUES DE LA CORRIENTE CERO FINAL.

Elctricamente, un sistema de fuerza es una red oscilatoria, por lo que es lgico

esperar que la interrupcin de la corriente de falla, d origen a una magnitud

transitoria cuya frecuencia depende de las constantes L y C del circuito. Ya se ha

dicho que este voltaje transitorio se conoce como voltaje de restablecimiento

fig. 1-17 y que ocurre inmediatamente despus de la extincin del arco. El voltaje

del arco entre los contactos, en ese instante, es normalmente bajo, mientras que el

voltaje de la frecuencia de fuerza que priva en el circuito, est en su valor mximo o

cerca de l.


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Fig. 1.17 Formas de las ondas del voltaje de restablecimiento y de recuperacin.

1.9 TENSIN TRANSITORIA DE RESTABLECIMIENTO.

Inmediatamente despus de la extincin del arco, se presenta una tensin entre

los contactos, que trata de establecer la conduccin. A esta tensin se le ha

designado como tensin de restablecimiento, y por ser de duracin

extremadamente corta, del orden de fracciones de ciclo, tambin se le denomina

transitoria.

La TTR puede tener dos componentes, una de frecuencia fundamental y otra de

alta frecuencia, la primera causada por un desplazamiento del neutro virtual del

sistema trifsico de vectores despus de la extincin de primer polo, que la

efecta condiciones de falla trifsica no aterrizada; la segunda, por un fenmeno

oscilatorio de alta frecuencia que se presenta entre los parmetros capacitivo e

inductivo de los circuitos y equipos que intervienen en el proceso de interrupcin.

1.10 PRINCIPIO DE OPERACIN DE LOS CONTACTOS DE UN

INTERRUPTOR.

La operacin de los contactos de un interruptor se realiza por medios mecnicos.

Cuando los contactos se separan se forma un entrehierro entre ellos, constituido

de un medio dielctrico e interruptivo (aire, gas

SF6, vaco, aceite). En este medio se forma el arco elctrico, a travs del cual la

corriente fluye de un contacto a otro. En este entrehierro es donde el circuito es

vulnerable a ser interrumpido, ya que la corriente abandona su trayectoria original

(contactos) para formar un arco en el medio aislante e interruptivo, cuando se


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logra disminuir la conductividad de esta trayectoria hasta extinguir el arco, la

corriente deja de fluir.

Por lo tanto, la interrupcin de un circuito elctrico comprende dos pasos

consecutivos:

En el primero se consigue intercalar un entrehierro a la trayectoria original, y el

segundo, consiste en eliminar la conductividad del entrehierro. El principio

fundamental de este proceso es la velocidad de restablecimiento del medio

dielctrico en el entrehierro.

Para un entrehierro con un medio aislante gaseoso, el gas es semiconductor a

altas temperaturas y en funcin de su enfriamiento se vuelve aislante. Por

ejemplo, el aire cambia de un buen conductor (10mho/cm), a un aislador confiable

(10-12 mho/cm), solamente con variar la temperatura de 10,000 a 1,000 K. Como

se muestra en la Fig. 1.18.

Fig.1.18 Conductividad elctrica - temperatura del aire a presin atmosfrica.


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Exceptuando los sistemas que utilizan materiales semiconductores de soplo

magntico y vaco, todos los interruptores trabajan bajo el principio de la descarga

de alguna clase de gas.

La Fig. 1.19 muestra la conductividad trmica de los gases SF6, nitrgeno e

hidrgeno en funcin de la temperatura; se puede ver que el SF6 y el hidrgeno

no tienen conductividades trmicas mayores a la del nitrgeno hasta los 1,500 K.

El SF6 y el hidrgeno poseen mejores conductividades trmicas que el aire y el

nitrgeno a altas temperaturas, lo que los hace mejores medios de extincin.

Fig. 1.19. Comportamiento de la conductividad trmica en funcin de la temperatura del medio

gaseoso, T (K).

1.11 PROCESO DE CIERRE.

Los interruptores deben cerrar e interrumpir los circuitos, esto puede ocasionar

ciertos problemas, particularmente, si el interruptor cierra en condiciones de falla.

Cuando el interruptor est abierto, la tensin en sus terminales es la tensin del

sistema, a esta tensin se le denomina tensin de cierre.


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Al valor mximo de la corriente que fluye al cerrar el interruptor se le llama

corriente de cierre. La potencia de cierre es el producto de la tensin de cierre

por la corriente de cierre.

El tiempo de cierre de un interruptor es el que transcurre desde el momento de

energizar la bobina de cierre hasta la conexin fsica de los contactos principales.

Durante el cierre, existen esfuerzos elctricos entre los contactos a medida que

stos se acercan, establecindose arcos de pre encendido que ocasionan

desgaste adicional de los contactos. El caso ms crtico se presenta cuando el

interruptor cierra en condiciones de falla de mxima asimetra.

1.12 PROCESO DE APERTURA.

Si estando cerrado el interruptor se desea interrumpir el circuito, se libera el

mecanismo de apertura el cual permite que los contactos principales se separen.

La separacin de los contactos genera el arco elctrico. En la apertura, el arco

cumple con funciones de gran importancia durante la interrupcin, dependiendo

del tipo de medio de extincin usado.

La potencia de corto circuito que el interruptor es capaz de interrumpir, est dada

por el producto de la corriente de corto circuito simtrica y la tensin de

restablecimiento, un ciclo despus de la interrupcin.

Generalmente se expresan los kA de corriente interruptiva nominal simtrica para

indicar la capacidad de corto circuito del interruptor.

El tiempo de interrupcin est dado desde el momento en que se energiza la

bobina de apertura hasta la extincin del arco elctrico. Este tiempo consta de 2

partes: el tiempo propio desde la energizacin de la bobina de apertura hasta la

separacin fsica de contactos y el tiempo de arco y se expresa en milisegundos o

en ciclos.

Debido a que el interruptor interacciona con el sistema elctrico, est sometido a

una amplia gama de corrientes con caractersticas capacitivas, inductivas,

resistivas o combinaciones de stas. El fabricante de interruptores debe tomar en

cuenta los efectos de las corrientes de falla para un diseo adecuado del

interruptor. La interrupcin de la corriente consiste en convertir un espacio


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altamente ionizado en el entrehierro en un buen aislante con el objeto de que la

corriente no fluya a travs de l.

Al interrumpirse la corriente, la razn de crecimiento de la TTR y la rigidez

dielctrica varan. Si la TTR tiene una razn de crecimiento mayor a la

recuperacin de la rigidez dielctrica, se presenta un "reencendido" del arco. Si la

recuperacin dielctrica es ms rpida que la razn de crecimiento de la TTR, se

tendr una interrupcin exitosa (ver Fig. 1.20).

Fig. 1.20 proceso de interrupcin de la corriente: a) Extincin; b) Reencendido.

Se tienen bsicamente dos posibilidades para evitar el reencendido del arco:

Disminuir la razn de crecimiento de la TTR.

Acelerar la regeneracin dielctrica del entrehierro.

Los pasos principales que se llevan a cabo en el proceso de la interrupcin en un

circuito de corriente alterna, se presentan con la ayuda de la Fig. 1.21.


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Figura. 1.21 proceso de interrupcin de corriente en un circuito de C.A.

Descripcin Figura 1.21.

T1 El interruptor en posicin de cerrado, recibe una seal de apertura. Se inicia la

separacin de los contactos, con la ayuda del resorte de apertura.

T2 El interruptor abre y se forma el arco entre el anillo de arqueo del contacto fijo y

el contacto mvil.

T3 El contacto mvil se desplaza hacia abajo, abriendo an ms. En el cruce por

cero de la corriente, se presenta un alto valor dielctrico.

T4 El arco se extingue, restablecindose completamente el dielctrico.

T5 El interruptor termina el movimiento de contactos y queda en posicin abierto.


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CAPTULO II

NORMAS Y CARACTERSTICAS NOMINALES PARA INTERRUPTORES DE POTENCIA.


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2.1 INTRODUCCIN.

Las caractersticas nominales de un interruptor de potencia estn establecidas en

las normas nacionales e internacionales aplicables. Estos parmetros nominales

se consideran los lmites mnimos de funcionamiento que el dispositivo debe

cumplir.

Las normas nacionales e internacionales son referencias las cuales contienen

valores sugeridos, estos valores son solo sugeridos por que son los comnmente

especificados por los usuarios y son los que, por conveniencia, han sido

seleccionados por las normas.

2.2 NORMA NRF-022-CFE-2006.

Dentro de las normas actuales, empleadas para interruptores de potencia se

encuentra la norma NRF-022-CFE-2006 DE INTERRUPTORES DE POTENCIA

DE 72,5kV A 420kV. La cual es una norma de referencia basada en normas

nacionales e internacionales como la ANSI, IEC, IEE, ANCE, NMX.

Esta norma de referencia ha sido elaborada de acuerdo a las Reglas de Operacin

del Comit de Normalizacin de CFE (CONORCFE), habiendo participando en la

aprobacin de la misma las reas de CFE y organismos miembros del

CONORCFE, indicados a continuacin:

Asociacin de Normalizacin y Certificacin

Cmara Nacional de Manufacturas Elctricas

Colegio de Ingenieros Mecnicos y Electricistas

Direccin General de Normas

Gerencia de Abastecimientos de CFE

Instituto de Investigaciones Elctricas

Subdireccin del Centro Nacional de Control de Energa de CFE

Subdireccin de Construccin de CFE

Subdireccin de Generacin de CFE

Subdireccin de Transmisin de CFE

Subdireccin de Distribucin de CFE

Universidad Nacional Autnoma de Mxico


_________________________________________________________________________

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2.3 OBJETIVO.

El objetivo especificar las caractersticas, tcnicas generales, criterios de seleccin

y de calidad que deben reunir los interruptores de Potencia. La presente norma de

referencia se debe emplear conjuntamente con las Caractersticas Particulares

que especifican los interruptores de potencia.

Aplica a interruptores de potencia de tanque vivo y tanque muerto, servicio

intemperie, tripolar o monopolar, auto contenidos, que operen a tensiones

nominales de 72,5 kV a 420 kV.

2.4 CONDICIONES NORMALES DE OPERACIN.

Las normas ANSI (American National Standard Institute) consideran como

condiciones normales o usuales de operacin cuando la temperatura ambiente no

excede los 40C y que no est por debajo de los -30C, la altitud nominal de

operacin es aquella que no excede los 1000 m.s.n.m. (Metros sobre el nivel del

mar), sin marcar diferencia a las condiciones de operacin para aplicaciones en

interior o intemperie.

Para la IEC (International Electrotechnical Commission) s hace diferencia entre

aplicaciones para interior o intemperie, se establece que el lmite de altitud es de

1000 m.s.n.m. a una temperatura ambiente mxima de 40C para ambas

aplicaciones, sin embargo se especifica que el promedio de temperatura mxima

en un promedio de 24h no debe de exceder los 35C.

En cuanto a los lmites inferiores de temperatura existen dos opciones para cada

aplicacin, para interiores son -5C y -25C. Para aplicaciones tipo intemperie los

lmites son -25C y -40C adicionalmente.

Por lo que respecta a la norma NMX-J-IP-1997-ANCE y a la especificacin CFE

V5000-01 consideran que los interruptores de potencia, incluyendo al mecanismo

de operacin y los dispositivos de auxiliares, deben disearse para operar en

sistemas conectados slidamente a tierra a una temperatura ambiente mxima de

40C y un promedio medido en un periodo de 24h, de 35C, y una temperatura

ambiente mnima de -25C.


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2.5 CARACTERSTICAS NOMINALES.

Las condiciones de operacin de los interruptores de potencia estn definidas por

un cierto nmero de valores caractersticos, designados como caractersticas

nominales o valores preferidos, porque son las que sirven para denominarlos y

comnmente estn inscritas en la placa de datos del interruptor.

Las caractersticas nominales ms importantes de un interruptor se pueden

describir de la siguiente manera:

2.5.1TENSIN NOMINAL Y TENSIN MXIMA DE DISEO.

Para sta caracterstica nominal del interruptor, la ANSI (American National

Standart Institute) la describe como tensin mxima de operacin, mientras que la

IEC (International Electrotechnical Commission) la describe como tensin

nominal.

Esta caracterstica establece el lmite superior de la tensin del sistema para el

cual est diseado el interruptor. Tomando en cuenta las condiciones normales de

operacin, as como la tensin del sistema no es constante en lapsos de tiempo, el

interruptor debe de garantizar su correcta operacin a la tensin mxima y a la

tensin mxima de diseo.

La tensin mxima de diseo de un interruptor es el valor eficaz (r m s) de la

tensin entre fases para la que el interruptor sta diseado y representa el lmite

superior del voltaje del sistema al cual el interruptor puede operar en forma

continua.

La siguiente tabla, nos describe las tensiones nominales y mximas de diseo

segn la Norma IEC 62271-100-2001; High-Voltage Alternating-Current Circuit-

Breakers.


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Tabla 2.1.- tensin nominal y mxima de diseo.

VOLTAJE NOMINAL (KV)

VOLTAJE MAXIMO DE

DISEO (KV)

2.2 3.6

4.16 4.16

13.18 15.0

23.0 24.6

34.5 38.0

69.0 72.5

115.0 123.0

230.0 245.0

400.0 420.0

2.5.2 CORRIENTE NOMINAL Y CORRIENTE NOMINAL DE

INTERRUPCIN DE CORTO CIRCUITO.

La corriente nominal es el valor eficaz (r m s) de la corriente expresada en

amperes para el que est diseado y que tiene la capacidad de conducir

continuamente a la frecuencia nominal, sin exceder los lmites de elevacin de

temperatura de los elementos conductores del interruptor.

Los valores establecidos por la IEC en la Norma IEC-62271-100-2001 y la ANSI

en la Norma ANSI-C37.12-1952 Guide Specifications for Alternating Current Power

Circuit Breakers son:

Los valores de corriente nominal establecidos por IEC son; 630 A; 800 A; 1 250 A;

1 600 A; 2 000 A; 3 150 A; y 4 000 A. Los valores correspondientes especificados

por ANSI son; 600 A; 1 200 A; 1600A y 2 000 A.

La corriente nominal de los interruptores de potencia es la corriente con la que

opera el interruptor de potencia. De igual forma el interruptor de potencia debe ser

capaz de interrumpir la corriente de cortocircuito dada por el valor eficaz de su

componente en corriente alterna, asociada con una componente de corriente

directa.


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La corriente nominal y la corriente nominal de interrupcin de cortocircuito de los

interruptores deben seleccionarse de los valores indicados en la tabla 2.2

Tabla 2.2 Corrientes nominales de operacin y corrientes de interrupcin

Tensin nominal

del interruptor de potencia (kV)

Corriente nominal (A)

Corriente de

interrupcin de corto circuito (kA)

Corriente de interrupcin en cables

cargados(cable en vacio) (A)

Corriente de interrupcin con lnea

cargada (lnea en vacio) (A)

72,5 1 250

20

25 31,5

125 10

100 1 250 20 25

31,5 125 20

123

1 250 1 600

25 31,5

140 31,5 1 600 2 000

40

145

1 250 1 600 2 000

31,5

160 50 1 600

2 000 3 150

40 50

170

1 250 1 600 2 000

31,5

160 63

1 600 2 000

40 50

245

1 250 1 600 2 000 3 150

31,5

250 125 1 600 2 000

40

2 000 50

420

1 600 2 000

31,5

400 400 1 600 2 000

40

2 000 50

2.5.3 CORRIENTE SOSTENIDA DE CORTA DURACIN.

La corriente nominal sostenida de corta duracin (1 s) es la que el interruptor de

potencia es capaz de conducir en posicin cerrada y con un valor igual al de la

corriente nominal de interrupcin de cortocircuito.


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2.5.4 CORRIENTE DE CIERRE EN CORTOCIRCUITO.

Todos los interruptores de potencia deben poder cerrar sin sufrir daos ni

deformaciones permanentes, con una corriente (valor cresta) de cortocircuito

correspondiente a la tensin nominal, cuyo valor debe ser 2,6 veces, la

componente de CA, de la corriente nominal de interrupcin de cortocircuito.

2.5.5 CORRIENTE DE INTERRUPCIN FUERA DE FASE.

A la tensin nominal del sistema, todos los interruptores de potencia deben ser

capaces de soportar sin sufrir daos ni deformaciones permanentes, una corriente

de interrupcin fuera de fase del 25 % del valor nominal de la corriente eficaz de

interrupcin de cortocircuito.

2.5.6 FRECUENCIA NOMINAL.

La frecuencia nominal de un interruptor es la frecuencia de la red para la que el

interruptor fue diseado y a la que corresponden las otras caractersticas

nominales.

Se ha recomendado que la frecuencia nominal sea de 50 Hz o 60 Hz segn la

norma IEC-56-2; en nuestro pas a partir de 1976 se normaliz a 60 Hz.

2.5.7 PRESIN NOMINAL DE OPERACIN DEL GAS PARA

INTERRUPCIN.

Las normas establecen una presin de 0.5, 1, 1.6, 2, 3 y 4 Mpa para la presin

nominal de operacin del gas. El dispositivo de operacin neumtica debe ser

capaz de abrir y cerrar el interruptor cuando la presin del gas comprimido este

comprendida entre 85 y 100% de la presin nominal de alimentacin.

2.5.8 CAPACIDAD INTERRUPTIVA NOMINAL.

La capacidad interruptiva nominal de un interruptor se define como mxima

intensidad de corriente, medida en el instante en que se separan los contactos,

que el interruptor puede cortar con un voltaje de recuperacin de frecuencia

fundamental (el voltaje de recuperacin es el valor eficaz de la onda fundamental,


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a la frecuencia del sistema del voltaje entre fases que reaparece en el circuito,

despus de que se han extinguido los arcos en todos los polos del interruptor).

De acuerdo a las normas IEC-56-2 la capacidad interruptiva queda definida por

dos valores:

La capacidad interruptiva simtrica, expresada por el valor eficaz (R.M.S.)

de la componente de corriente alterna de la corriente total interrumpida por

el interruptor.

Por lo tanto, la capacidad interruptiva simtrica est dada por:

La capacidad interruptiva asimtrica o total expresada por el valor eficaz

(R.M.S.) de la corriente total, que comprende las componentes de corriente

alterna y corriente directa, interrumpida por el interruptor.

Por lo tanto, la capacidad interruptiva asimtrica est dada por:

El valor eficaz de la componente alterna de la corriente de interrupcin de corto

circuito debe elegirse entre los siguientes valores:

6.3, 8, 10, 12.5, 16, 20, 25, 31.5, 40, 50, 63, 80 y 100 kA.

2.5.9 SECUENCIA DE OPERACIN NOMINAL.

El ciclo de trabajo de un interruptor de potencia consiste en una serie de

operaciones de apertura (desconexin) y cierre (conexin) o ambas a la vez. Los

tiempos asociados a las maniobras son de gran importancia, tanto desde el punto

de vista de la estabilidad del sistema, como de la demanda trmica. Mientras ms

se tarde el interruptor en eliminar la corriente de falla, mayor ser el dao que sta

causar al sistema.

El ciclo de operacin nominal de un interruptor es el nmero prescrito de

operaciones unitarias a intervalos de tiempo establecidos. De acuerdo con las

recomendaciones de IEC para el servicio nominal de la operacin de interruptores,


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cuya utilizacin no est especificada para autorecierre, se puede expresar de la

siguiente forma:

A 0,3s CA 3 min CA

En donde:

A= operacin de apertura.

CA= operacin de cierre-apertura

El ciclo de operacin para los interruptores con auto-cierre, es el siguiente:

A 0 CA

En donde:

0= (cero) representa el tiempo muerto del interruptor en ciclos.

Los diversos componentes del tiempo de operacin del interruptor aparecen

mostrados la siguiente grfica:

Fig. 2.1 Componentes del tiempo de operacin de un interruptor.

2.5.10 SIMULTANEIDAD EN LA OPERACIN DE LOS POLOS.

Los interruptores de potencia deben cumplir las siguientes diferencias en

simultaneidad de tiempo de operacin entre el primero y el ltimo polo del

interruptor de potencia:

a) En operacin de cierre 4.16 ms, mximo.

b) En operacin de apertura 2.77 ms, mximo.


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2.5.11 CORRIENTE CAPACITIVA NOMINAL DE INTERRUPCIN.

En caso que los interruptores de potencia operen con bancos de capacitores,

deben ser capaces de soportar sin sufrir daos ni deformaciones permanentes, la

operacin de conexin y desconexin de bancos de capacitores. La capacidad de

los bancos de capacitores debe ser indicada en las Caractersticas Particulares.

La interrupcin de corrientes capacitivas es la tarea de mayor responsabilidad

operativa de un interruptor.

2.5.12 NIVEL BSICO DE AISLAMIENTO AL IMPULSO (BIL).

Este requerimiento est basado en el hecho de que las sobretensiones producidas

por rayos son una de las causas principales de salidas del sistema y de fallas en el

equipo de potencia. La magnitud y la forma de la onda del impulso dependen del

nivel de aislamiento de la lnea y de la distancia entre el punto de origen del

impulso y el punto de la lnea que est bajo consideracin. Debido a lo anterior, es

difcil establecer un lmite superior para estas sobretensiones y, por lo tanto, es

imprctico esperar que los interruptores se diseen para soportar los lmites

superiores de las sobretensiones.

El objetivo de especificar un nivel de soporte al impulso, es definir la capacidad

mxima de un interruptor y el nivel de coordinacin de tensin que debe proveer.

El nivel bsico de aislamiento al impulso (NBAI) que se especifica, en realidad slo

refleja las prcticas de coordinacin de aislamiento utilizadas en el diseo de

sistemas elctricos, el cual est influenciado por los lmites de aislamiento y los

requerimientos de proteccin de transformadores de potencia y otros equipos del

sistema. ANSI especifica nicamente un valor de NBAI para cada clase o nivel de

tensin de interruptores, con la excepcin de interruptores de 25.8 y 38 kV donde

especifica dos valores. El valor ms bajo es propuesto para aplicaciones en

sistemas de distribucin con estrella aterrizada y equipados con aparta-rayos. IEC,

en contraste, especifica dos valores de NBAI para todas las clases de Tensin,

excepto para las clases 52 y 72.5 kV donde slo se especifica un valor, y para

245 kV donde se proporcionan tres valores.


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Tabla 2.3.- Comparacin del NBAI entre los requerimientos de ANSI e IEC

ANSI IEC

Tensin

Nominal

(kV)

Tensin

Nominal

(P.U)

NBAI

(kv)

Onda

cortada a

(kV)

Onda

cortada a

(kV)

NBAI (kV)

Tensin

Nominal

(kV)

72.5 4.8 350 452 402 325 72.5

121 4.55 550 710 632 550

450

123

145 4.5 650 838 748 650 550

145

169 4.45 750 968 862 750

650

170

242 3.7 900 1160 1040 1050 950

850

245

362 3.58 1300 1680 1500 1175

1050

362

550 3.26 1800 2320 2070 1550

1425

550

2.5.13 SOPORTE CON IMPULSO DE MANIOBRA.

Este requerimiento se aplica a interruptores de clase 362kV o superiores (ANSI) y

de 300kV o superiores (IEC). La razn de que solo se especifiquen estos

requerimientos a estas tensiones, es debido a que a valores ms bajos de tensin,

el valor pico de la tensin de soporte excede el valor de 3p.u. Este es el valor que

ha sido seleccionado como el mximo impulso de maniobra no controlado que

puede encontrarse en un sistema.

En la especificacin CFE V5000-01 a esta tensin se le nombra Tensin de

aguante nominal a impulso de maniobra.

En la siguiente tabla se muestran los valores normalizados en la especificacin

CFE V5000-01 para las tensiones de aguante nominal a la frecuencia del sistema,

a impulso de rayo e impulso de maniobra.


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Tabla 2.4 Tensiones nominales y valores de pruebas dielctricas establecidas en la especificacin

CFE V5000-01 .

Tensin

nominal (kV)

valor eficaz.

Tensin de aguante

nominal a la frecuencia

del sistema (kV) valor

eficaz (1min.) seco(s) y

hmedo(s).

Tensin de aguante

nominal al impulso por

rayo (kv) valor pico

seco(s).

Tensin de aguante nominal a

impulso por maniobra (kV)

valor pico seco(s) y hmedo(s)

Interruptor de

potencia.

De fase a

tierra y a

travs de

interruptor

de potencia

cerrado

De fase a

tierra y a

travs de

interruptor

de potencia

abierto

De fase a

tierra y a

travs de

interruptor

de potencia

cerrado

De fase a

tierra y a

travs de

interruptor

de potencia

abierto

De

fase a

tierra

Entre fases

para

interruptor

de potencia

de tanque

muerto

A travs de

las

terminales

del

interruptor

de potencia

abierto

1 2 3 4 5 6 7 8

72,5 140 (s/h) 325 NA NA NA

100 185(s/h) 450 NA NA NA

123 230(s/h) 550 NA NA NA

275(s/h) 650 NA NA NA

325(s/h) 750 NA NA NA 245 460(s/h) 1 050 NA NA NA

380(s) 435(s) 1050 1050(+170) 850 1275 700 (+245) 420 520(s) 610(s) 1425 1425(+240) 1050 1575 900(+345)

620(s) 800(s) 1550 1550(+315) 1175 1760 900(+450)

NOTAS:

1) Los valores de prueba indicados en esta tabla estn referidos a las condiciones

normalizadas de 101,3 kPa de presin, 20 C de temperatura y humedad absoluta

de 11 g/m3.

2) Exclusivamente para los casos de extra alta contaminacin y/o altitudes

mayores a 2 500 m s.n.m.

3) Exclusivamente para los casos en los que se requiera corrientes de

interrupciones de 50 kA o mayores.

4) Tensin restringida del sistema de 161 kV.

5) Los valores especificados en la tabla estn basados en un estudio de

coordinacin de aislamiento realizado por el LAPEM, con los siguientes

parmetros principales: ndice de falla del equipo 1/400; tensin nominal del

apartarrayos 192 kV para tensin nominal del sistema de 245 kV; Tensin nominal

del apartarrayos de 336 kV para tensin nominal del sistema de 420 kV.


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2.5.14 NIVELES DE CONTAMINACIN.

La distancia de fuga de fase a tierra se calcula tomando en cuenta la distancia de

fuga especfica y la tensin nominal de fase a fase del interruptor, conforme lo

indicado en la norma IEC 60815.

Para aislamiento externo la distancia de fuga de fase a tierra se calcula, tomando

en cuenta la distancia de fuga especfica y la tensin nominal de fase a fase del

interruptor de potencia, conforme a lo indicado en la norma mexicana NMX-J-

562/1-ANCE

Tabla.2.5.-NIVELES DE CONTAMINACION PARA AMBIENTES TIPICOS

Nivel de

contaminacin

(severidad)

Descripcin de ambientes tpicos

Ligera

Ambiente a ms de 50 del mar, desierto o sitio rido. Ambiente a ms de 10 km de fuentes de contaminacin hechas por el hombre.

Ambiente con distancias cortas a fuentes contaminantes, pero donde:

Para los tres casos anteriores aplica lo siguiente:

Prevalecen vientos no directos de la fuente contaminante.

y/o con meses regulares de lluvia.

Ambientes con 10km a 50 del mar, de un desierto o de un sitio rido. Ambientes con 5km a 10km de fuentes de contaminacin hechas por el hombre

Para ambos casos anteriores aplica lo siguiente:



Media

Ambientes con 3km a 10km del mar, de un desierto o de un sitio rido.

Ambientes con 1 km a 5km de fuentes de contaminacin por el hombre .

Para los tres casos anteriores aplica lo siguiente:



Adems aparte de las fuentes de contaminacin ya mencionadas y distancias en el

intervalo especificado para niveles de contaminacin ligera se tiene:

niebla densa (o llovizna) la cual muchas veces ocurre despus de largos periodos (semanas o meses) de acumulacin de contaminantes.

y/o presencia de lluvias fuertes con alta conductividad.

y/o hay un alto nivel de DMNSD, entre 5 y 10 veces el nivel de DESD.


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Alta

Ambiente dentro de una distancia de hasta 3km respecto al mar, de un desierto o de

un sitio rido.

Ambiente dentro de una distancia de hasta 1km de fuentes de contaminacin hechas

por el hombre . Ambientes con distancias entre 1km a 5km con respecto a las fuentes

contaminantes, pero con:

niebla densa (o llovizna) la cual muchas veces ocurre despus de largos periodos (semanas o meses) de acumulacin de contaminantes.

y/o presencia de lluvias fuertes con alta conductividad.

y/o hay un alto nivel de DMNSD**, entre 5 y 10 veces el nivel de DESD*.

Extra Alta

Ambientes con distancias respecto a las fuentes contaminantes iguales a las de ambientes de contaminacin alta pero:

sujetos a brisa directa del mar o niebla salina densa.

o sujetos a contaminantes con alta conductividad, o cemento en polvo con alta densidad y con frecuente humectacin por niebla o llovizna.

reas desrticas con rpida acumulacin de arena, sales y condensacin regular.

2.5.15 RELACIN ENTRE EL NIVEL DE CONTAMINACIN Y LA

DISTANCIA MINIMA DE FUGA.

Para cada nivel descrito en la tabla de niveles de contaminacin para ambientes

tpicos, en la siguiente tabla se indica la distancia de fuga especifica nominal

mnima correspondiente en milmetros por kilo volt (fase a fase) de la tensin

mxima de diseo de un equipo. Esta tabla corresponde conforme a la norma

NMX-J-150/2-ANCE.

Tabla.2.6 -Distancia de fuga especifica nominal mnima.

Nivel de contaminacin Distancia de fuga especifica nominal

( ) I.- ligera 16

II.- media 20

III. alta 25

IV.- extra alta 31

a) Para la distancia de fuga real, son aplicables las tolerancias de fabricacin especificas b) Relacin de la distancia de fuga medida entre fase y tierra sobre el valor eficaz de la tensin

mxima de diseo fase-fase del equipo.


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2.5.16 DIAMETRO PROMEDIO DE AISLADORES.

Los aisladores son los soportes que ayudan a separar de tierra los materiales

conductores o con potencial, su estructura y el dimetro son de importancia

significante dado que deben soportar esfuerzos tanto elctricos como mecnicos.

El dimetro promedio esta dado en:

1) Faldones similares : 2) Faldones alternados:

2.5.17 TENSIONES DE CONTROL Y DEL EQUIPO AUXILIAR DEL

INTERRUPTOR.

Las tensiones de control y del equipo auxiliar del interruptor de potencia se indican

en las caractersticas particulares y deben corresponder a las tensiones nominales

indicadas en las siguientes tablas:

Tabla 2.7.- Tensin de control para relevadores, bobinas de apertura y cierre, sealizacin,

alarmas y motores universales.

TENSION

NOMINAL V c.d.

LIMITES DE TENSION V c.d.

CIRCUITO DE

CIERRE CIRCUITO DE DISPARO MOTOR

125 106 - 137 87 137 106 137

250 212 - 275 175 - 275 212 - 275


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Tabla 2.8.- Tensiones de equipos auxiliares como motores, contactores y resistencias calefactoras.

Tensin nominal Motor universal Lmites de tensin

Vc.a.

440V, 3 fases, 60 Hz 394 484 220V, 3 o 2 fases, 60 Hz 187 242

127V, 1 fase, 60 Hz 108 140

125Vc.d. y/o 127V, 1 fase, 60 Hz 108 140

2.5.18 BASTIDORES DE SOPORTE.

El interruptor debe contar con un bastidor soporte por polo para interruptores de

potencia con tensin nominal igual a 420kV. En el caso de interruptores de

tensiones menores puede ser un bastidor soporte por polo o uno comn para los

tres polos. El diseo del soporte o bastidor soporte debe ser tal que adems de la

masa del interruptor de potencia, soporte los esfuerzos producidos por las

operaciones del interruptor de potencia los producidos por los mismos.

El bastidor debe ser de acero y galvanizado por inmersin en caliente, segn la

norma NMX-H-074-SCFI despus de haber soldado sus partes y hecho todas las

perforaciones requeridas, los tornillos, tuercas, roldanas y pernos deben ser de

acero inoxidable o cumplir como mnimo con el galvanizado requerido.

Todos los bastidores deben de contar con conectores tipo zapata capaces de

recibir conductores con una seccin transversal de 120 para conexin a

tierra, estos conectores como las rondanas y tornillos, deben de ser de acero

inoxidables, cobre o aleacin de cobre.

2.5.19 GABINETES.

Los gabinetes deben ser de lmina de aleacin de aluminio, lmina de acero al

carbn o inoxidable, y el espesor debe ser tal que resista el manejo de transporte,

montaje y operacin sin deformacin permanente alguna. En caso de ser lmina

de acero al carbn, el gabinete debe ser protegido tanto por la parte interna como

la externa con el siguiente sistema de recubrimientos:

Preparacin de superficie: Abrasivos a presin a metal casi blanco.

Primario: Orgnico de cinc epoxi-poliamida, aplicado en una capa a un

espesor seco de 50 m a 75 m.


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Acabado: Acabado vinlico altos slidos, aplicado en un

int de pot_tesis_uv.pdf

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