Módulo de Aprendizaje 5: Serie Básica 101 Fundamentos de los Interruptores Fundamentos de los Interruptores Temario En este módulo, estudiaremos con detalles cada uno de estos temas: Introducción Definición Características 4 4 4 Marco 5 5 6 Marco Metálico Material Aislante Moldeado Contactos y Mecanismos de Operación Contactos Mecanismo de Operación Mecanismo Tipo Báscula Mecanismo de Energía Almacenada en dos Etapas 6 6 7 8 8 Repaso 1 10 Unidades de Disparo Sobrecarga Térmica Corriente de Cortocircuito Falla de Conexión a Tierra Unidad de Disparo Electromecánica lUnidad de Disparo Electrónica 11 11 11 12 12 14 Extinguidores de Arcos ¿Qué es un Arco? Técnicas de Control de Arcos Métodos de Control de Arco 16 16 18 19 Métodos para Montar Interruptores Montaje Fijo Removible rInterruptor Removible 21 21 21 22 Estándares 24 Repaso 2 25 Glosario 26 Repaso 1 Respuestas 29 Repaso 2 Respuestas 29 Página 2 Fundamentos de los Interruptores Bienvenido Bienvenido al Módulo 5, Fundamentos de los Interruptores. Este módulo está dedicado a los principios básicos de los Interruptores. Una vez que usted domine los principios básicos, puede seguir con otros módulos que se enfocarán a los tipos específicos de interruptores. Son los siguientes: • Módulo 6 – Interruptores de Media Tensión (1000V – 72.5 kV) • Módulo 7 – Interruptores de Baja Tensión (1000V y menos) • Módulo 8 – Interruptores industriales en Caja Moldeada (600V y menos) • Módulo 9 – Mini interruptores (240V y menos) Figura 1. Una amplia gama de Interruptores Como los demás módulos en esta serie, este módulo presenta secciones de material nuevo seguidas por una serie de preguntas sobre este material. Estudie el material cuidadosamente, y después conteste las preguntas sin regresar a lo que acaba de leer. Usted es el mejor juez de su asimilación del material. Repase el material tan frecuentemente como lo considere necesario. Lo más importante es establecer una base sólida sobre la cual se puede construir de tema en tema y de módulo en módulo. Nota sobre Estilos de Fuentes Los puntos esenciales se presentan en negritas. Glosario Las versiones impresas tienen el glosario al final del módulo. Usted puede también puede hojear el glosario seleccionándolo en el margen izquierdo. Los elementos del Glosario se presentan en cursivas y subrayados la primera vez que aparecen. Página 3 Fundamentos de los Interruptores Introducción ¿Qué es un interruptor? Las definiciones varían según la fuente de la definición. Definición Definición NEMA: Un interruptor se define en los estándares NEMA como un dispositivo diseñado para abrir y cerrar un circuito por medios no automáticos, y para abrir el circuito automáticamente en una sobrecarga de corriente predeterminada sin sufrir daño, cuando se aplica dentro de sus valores de operación o especificaciones. Definición ANSI: Un interruptor se define en los estándares ANSI como un dispositivo de conmutación mecánico que puede cerrar un circuito eléctrico, llevar la corriente e interrumpir corrientes eléctricas en condiciones normales de circuito. Puede también cerrar un circuito y sostener la corriente durante un tiempo especificado e interrumpir corrientes en condiciones anormales de circuito especificadas como es el caso de un cortocircuito. La premisa es la misma para las definiciones y ambas son precisas, pero la redacción es bastante diferente. Lo mismo es cierto con los muchos tipos de interruptores. Su propósito general es el mismo, pero existen también numerosas diferencias significativas. El interruptor puede ser aplicado como un elemento individual en su propio gabinete, o bien puede utilizarse en combinación con una amplia gama de otros equipos en un gabinete común como por ejemplo Centros de Carga, Tableros y Switchboards. Figura 2. Tablero de Tensión, Switchboard y Switchgear Independientemente de dónde y cómo se aplica, pronto usted se dará cuenta que el interruptor desempeña una función esencial en la distribución y uso de la energía eléctrica. Características Desde una perspectiva muy general, todos los interruptores tienen las siguientes características comunes de diseño y funciones: • Un marco • Contactos y mecanismos de operación • Unidades de Disparo • Un método de extinción de Arco • Un método de montaje • Cumplimiento con estándares específicos Las cuatro primeras características son componentes del interruptor, que se pueden observar en la figura abajo. Veamos cada componente separadamente. Página 4 Fundamentos de los Interruptores Figura 3. Características de un Interruptor Marco El marco rígido del interruptor proporciona un método a través del cual se pueden montar y mantener en su lugar todos los componentes requeridos, asegurando la operación apropiada del interruptor. El marco del interruptor ofrece la rigidez y resistencia que se requieren para manejar exitosamente el proceso de interrupción y lograr la Capacidad Interruptiva deseadas. La fuerza mecánica del marco debe ser suficiente para resistir a las fuerzas creadas por el cuadrado de la intensidad (I2), que podrían ser muy importantes y potencialmente destructivas. Figura 4. Marco de Interruptor El marco ofrece también aislamiento de la trayectoria de corriente, ofreciendo protección al personal cerca del equipo durante la operación. El marco desempeña también una función esencial en la capacidad del interruptor para cumplir con estándares aplicables. Históricamente existen dos tipos de marcos: Marco Metálico • Marco Metálico • Material Aislante Moldeado Los interruptores con marco metálico son ensamblados a partir de partes metálicas precisas atornilladas y soldadas juntas para formar el marco. La mayoría de los interruptores de baja tensión más antiguos y de los interruptores de media tensión actuales son de marco metálico. Históricamente, todos los interruptores tanto arriba como abajo de 600 volts se han conocido como interruptores de marco metálico. El diseño de marco metálico sigue siendo utilizado para tensiones más elevadas. Página 5 Fundamentos de los Interruptores Figura 5. Interruptor de Baja Tensión CA de Marco Metálico Material Aislante Moldeado Los Marcos de material aislante moldeado se elaboran de un material aislante resistente, por ejemplo vidrio-poliéster o bien resinas compuestas de termoendurecimiento. Los tamaños varían según el Amperaje de Operación del interruptor. Los marcos de material aislante moldeado están asociados normalmente con interruptores en caja moldeada de baja tensión. Debido a los avances de los materiales y tecnología, estamos viendo ahora interruptores en caja aislada moldeada a 600 volts y mayores. Figura 6. Interruptores de Potencia Contactos y Mecanismos de Operación Contactos Los Contactos en un interruptor proporcionan un método para conectar el circuito al sistema. Ofrecen también un método para aislar una parte del circuito del resto del sistema. Figura 7. Contacto y Mecanismo de Operación Página 6 Fundamentos de los Interruptores Un juego de contactos contiene un contacto fijo y un contacto móvil. Conforme un interruptor abre y cierra, el contacto fijo mantiene su posición mientras que el contacto móvil se desplaza para cerrar (conectar) o abrir (interrumpir) el circuito. En conclusión, los contactos desempeñan una función sencilla: abren y cierran. En Campo Este interruptor de alumbrado residencial típico contiene un juego de contactos. Figura 8. Contactos en funcionamiento Cuando el propietario enciende la luz, técnicamente está manipulando el mecanismo de operación. El contacto móvil en el mecanismo de operación crea un circuito con el contacto fijo. Se establece el circuito, la electricidad fluye hacia el elemento luminoso y la luz se enciende. Cuando el propietario apaga la luz, el contacto móvil en el mecanismo de operación se separa del contacto fijo. El circuito se interrumpe, la electricidad deja de fluir hacia el elemento luminoso, y la luz se apaga. Mecanismo de Operación Los interruptores requieren de cierto tipo de mecanismo de operación para abrir y cerrar los contactos. Este mecanismo de operación puede ser mecánico o bien una combinación mecánica y de electrónica de potencia. Según el tipo de interruptor considerado, el mecanismo de operación puede ser utilizado para: • Abrir y cerrar los contactos manualmente • Abrir y cerrar los contactos sobre pedido • Abrir los contactos automáticamente Consideremos un interruptor Trifásico básico. Está diseñado de tal manera que los tres juegos de contactos abran o cierren simultáneamente. Esto requiere que todos los contactos estén unidos de alguna manera. Esta parte del mecanismo puede estar conectada mecánicamente a una manija común. La manija, cuando es operada, desplaza el mecanismo y abre o cierra el interruptor mediante la apertura o cierre de los contactos. En realidad, los mecanismos no son tan sencillos como se acaban de describir. Los interruptores, en virtud de su tamaño y/o de ciertos requisitos estándares, deben ayudar además al desplazamiento del mecanismo para abrir o cerrar los contactos. Página 7 Fundamentos de los Interruptores Figura 9. Contactos Trifásicos Esta ayuda adicional se da en forma de resortes. Los resortes desempeñan una función importante en el funcionamiento preciso de los mecanismos de interruptores. Los resortes están estirados o comprimidos para proporcionar la energía necesaria para ayudar a la apertura o cierre apropiado de los contactos. Existen dos tipos de mecanismos auxiliados con resorte: Mecanismo Tipo Báscula y Energía Almacenada en dos Etapas. Para proporcionar la información de apoyo necesaria, daremos algunos datos sobre estos dos mecanismos. Mecanismo Tipo Báscula Una manija manual en el interruptor es operada para poner el mecanismo en movimiento. La manija es desplazada, ya sea para abrir o cerrar el interruptor, hasta llegar a un punto en el cual la manija oscila (más allá del punto de no retorno), y el mecanismo auxiliador por resorte abre o cierra automáticamente el interruptor. Este mecanismo tipo báscula se conoce como de tipo de Conexión RápidaDesconexión Rápida, lo que significa que la velocidad con la cual se abren o cierran los contactos es independiente de la velocidad con la cual se mueve la manija. Se puede considerar como el disparo de una pistola. Que el gatillo sea jalado rápida o lentamente, no cambia la velocidad con la cual la bala sale del cañón. Figura 10. Mecanismo Tipo Báscula Mecanismo de Energía Almacenada en dos Etapas Se puede utilizar un operador de motor para operar la manija automáticamente en lugar de una operación manual. El diseño es tal que el interruptor se dispara cuando se requiere, aún cuando la manija manual se encuentra en la posición de CONEXIÓN (cerrada). Página 8 Fundamentos de los Interruptores Figura 11. Mecanismo de Energía Almacenada en dos Etapas El mecanismo de energía almacenada en dos etapas se utiliza cuando se requiere de mucha energía para cerrar el interruptor y cuando se requiere de un cierre rápido. El proceso de energía almacenada en dos etapas es para cargar el resorte de cierre y liberar la energía para cerrar el interruptor. Utiliza resortes de apertura y cierre separados. Es importante porque permite que el resorte de cierre sea cargado independientemente del proceso de apertura. Esto permite un ciclo de trabajo abierto-cerrado-abierto. El resorte de cierre puede ser cargado (o bien recargado) manualmente a través de una manija de carga o bien eléctricamente a través de un motor. El motor puede ser operado a distancia, permitiendo una seguridad máxima para el operador. ¿Usted recuerda estar sentado en un cuarto y de repente las luces parpadean pero no se apagan? En algún lugar en la línea de distribución de energía, un circuito fue abierto y cerrado casi instantáneamente. La acción fue suficientemente rápida para que no se apagaran sus luces. El mecanismo de energía almacenada en dos etapas hace posible esta situación. Una vez que el resorte de cierre está cargado, se encuentra en estado de espera listo para cerrar de nuevo rápidamente el interruptor de circuito. Las ventajas principales del mecanismo de energía almacenada en dos etapas son cierre rápido y seguridad. El nuevo cierre rápido se logra mediante el almacenamiento de energía cargada en un resorte de cierre separado. La seguridad se logra proporcionando la carga del resorte a distancia. Muchos avances se hicieron en el diseño de los mecanismos de operación de interruptores y se siguen buscando mejoras adicionales. Se invierte una gran cantidad de esfuerzos en el mecanismo de operación puesto que es esencial para un diseño exitoso de interruptor. Determina la velocidad, fuerza y precisión con las cuales se abren y cierran los contactos. Esto es de gran importancia para determinar si un interruptor es aceptable y en dónde puede aplicarse. Página 9 Fundamentos de los Interruptores Repaso 1 Conteste las siguientes preguntas sin ver el material que se le acaba de presentar. Empiece la siguiente sección cuando esté seguro que entiende lo que ya ha leído. 1. Los interruptores proporcionan capacidades de conmutación y protección contra condiciones de sobrecorriente. VERDADERO FALSO 2. ¿Cuál de las características siguientes no es una característica común de los interruptores. A. Cumplimiento con estándares específicos. B. Contactos y mecanismos de operación C. Un dispositivo para extinguir un arco D. Un dispositivo para responder a solicitudes de transformador E. Método de montaje 3. Todos los interruptores de potencia son interruptores de marcos metálicos. VERDADERO FALSO 4. Los avances en cuanto a la resistencia de los marcos aislantes moldeados han permitido su utilización para interruptores de potencia de alta tensión. VERDADERO FALSO 5. Un conjunto de contactos de interruptor consiste habitualmente de dos partes. ¿Cuál de los siguientes términos describe mejor las dos partes? A. Removible B. Fijas C. No conductoras D. Móviles 6. Los interruptores utilizan __________ __________ para ayudar a abrir y cerrar los contactos principales. 7. Los dos tipos de mecanismos auxiliados por resortes son el mecanismo tipo báscula y el mecanismo de energía almacenada en dos etapas. VERDADERO FALSO 8. Los mecanismos de resorte de over-toggle son de un tipo de conexión rápida - desconexión rápida. VERDADERO FALSO 9. Las dos etapas en el mecanismo de energía almacenada en dos etapas son la carga del resorte de cierre (almacenamiento de energía) y la liberación de la energía para cerrar el interruptor. VERDADERO FALSO Página 10 Fundamentos de los Interruptores Unidades de Disparo Para que un interruptor sea efectivo, debe tener cierta inteligencia para poder desempeñar su función automáticamente o bien responder a un comando. Sin esta capacidad, un interruptor sería solamente un cortocircuito sofisticado. Una unidad de disparo es la inteligencia del interruptor. Comentaremos esta función y los tipos de unidades de disparo. Figura 12. Unidades de Disparo de un Interruptor La función de la unidad de disparo es disparar el mecanismo de operación (abrir el circuito) en el caso de las siguientes condiciones de sobrecorriente: Sobrecarga Térmica • Sobrecarga térmica • Corriente de Cortocircuito (Corriente de Falla) • Falla de conexión a tierra Un conductor se deteriora habitualmente como resultado de una condición de Sobrecarga (o Sobrecorriente). Cuando existe esta condición, ocurre un incremento de temperatura en el aislamiento y el conductor. Esto se conoce como sobrecarga térmica. Eventualmente, esta condición resultará en un cortocircuito. Las condiciones de sobrecarga son predecibles si se monitorean la corriente y el tiempo que ésta fluye en un conductor. Como resultado, se utiliza una curva tiempo-corriente para indicar el límite entre la condición normal y la condición de sobrecarga. Figura 13. Curva de Tiempo-Corriente de Sobrecarga Corrientes de Cortocircuito Corrientes de cortocircuito (corrientes de falla) ocurren habitualmente con flujo de corriente alta debido a la falla de aislamiento del conductor. Cuando el aislamiento entre fases se interrumpe, se pueden esperar corrientes de cortocircuito en la falla. Una curva de tiempo-corriente típica para un elemento de cortocircuito (instantáneo) de un interruptor indica que no ocurrirá un disparo hasta que la corriente de falla alcance o rebase el punto A en la curva. Página 11 Fundamentos de los Interruptores Figura 14. Curva de Tiempo-Corriente de Cortocircuito Falla de Conexión a Tierra Una falla de conexión a tierra es un tipo particular de falla de corriente de cortocircuito. Es un cortocircuito entre una fase y la tierra. El NEC requiere de protección de las fallas de conexión a tierra en aplicaciones específicas, por ejemplo una acometida. Figura 15. Falla de Conexión a Tierra Ahora que conoce usted la función de una unidad de disparo, comentaremos los tipos de unidades de disparo. Existen dos tipos de unidades de disparo: Unidad de Disparo Electromecánica • Electromecánica (Termomagnética) • Electrónica Este tipo de unidad de disparo se utiliza habitualmente en interruptores de baja tensión. Se encuentra montada integralmente en el interruptor y es sensible a la temperatura. Las unidades de disparo termomagnéticas actúan para proteger a los conductores, proteger el equipo en condiciones ambientes altas y permitir una carga segura en condiciones ambientes normales. Figura 16. Unidad de Disparo Electromecánica Esta unidad de disparo utiliza bimetales y electroimanes para proporcionar protección contra sobrecarga y cortocircuito, lo que se conoce como “termomagnético”. Para entender mejor esta acción de disparo, las partes térmicas y magnéticas se explican separadamente y después se combinan. El disparo térmico se utiliza para protección contra sobrecargas. Su acción se logra empleando un bimetal calentado por la corriente de carga. En la sobrecarga sostenida, el bimetal se deforma, provocando que el mecanismo de operación se dispare. Página 12 Fundamentos de los Interruptores Figura 17. Disparo Térmico La deformación es predecible en función del tiempo y de la corriente. Esto significa, por ejemplo, que un interruptor típico de 100A puede dispararse en 1800 segundos a 135% de su nivel nominal (Punto A) o bien diez segundos a 500% de su nivel nominal (Punto B). Figura 18. Curva Tiempo-Corriente El disparo magnético es utilizado para protección contra cortocircuitos (instantáneos). Su acción se logra a través de un electroimán cuyo devanado se encuentra en serie con la corriente de carga. Cuando ocurre un cortocircuito, la corriente que pasa a través del conductor provoca que el punto magnético del electroimán se eleve rápidamente, atrayendo la armadura y causando el disparo del interruptor. Figura 19. Porción De Disparo Magnética Es una curva tiempo-corriente típica para la porción magnética de una unidad de disparo electromecánica. La combinación de acciones térmicas y magnéticas protege contra sobrecargas y cortocircuitos. Obsérvese la diferencia en la curva tiempo-corriente. La unidad de disparo termomagnética es adecuada para la mayoría de las aplicaciones para propósitos generales. Es sensible a la temperatura, insensible a las Armónicas, y tiende a seguir automáticamente la carga de cable y equipo segura que varía con las temperaturas ambientes. Página 13 Fundamentos de los Interruptores Figura 20. Curva Tiempo-Corriente Magnética Figura 21. En Resumen En este tipo de unidad de disparo, es difícil detectar una falla de conexión a tierra hasta que sea demasiado tarde, especialmente con motores en donde una falla de aislamiento interno puede resultar en un daño serio. Como resultado, se requiere de un dispositivo separado para fallas de conexión a tierra. Unidad de Disparo Electrónica El segundo tipo de unidad de disparo es la unidad de disparo electrónica. Es generalmente insensible a la temperatura y más costoso. Se utiliza en interruptores de baja tensión comenzando en 400A y en interruptores de media tensión. La unidad de disparo es montada integralmente en baja tensión y montada externamente en media tensión. Figura 22. Unidades de Disparo Electrónicas Esta unidad está reemplazando rápidamente el disparo termomagnético debido a su mayor precisión, capacidad de repetición y discriminación. Tiene también una protección opcional integrada contra fallas de conexión a tierra. Además, ofrece otras capacidades, como por ejemplo programación, monitoreo, diagnóstico, comunicación, coordinación de sistema y prueba. En general, las unidades de disparo electrónicas consisten de tres componentes internos con relación a la unidad de disparo. Estos componentes son el transformadores de corriente, circuito de proteción (electrónico) y Disparador en Derivación de transferencia de flujo. Página 14 Fundamentos de los Interruptores Figura 23. Componentes de una Unidad de Disparo Electrónica El transformador de corriente es utilizado en cada fase de corriente para monitorear y reducir la corriente al nivel de entrada apropiado. El circuito de protección es el cerebro del sistema, interpreta la corriente de entrada y toma una decisión con base en parámetros predeterminados. Una decisión de disparo envía una salida al disparador en derivación. El disparo en derivación es el componente que dispara el interruptor. Existen dos tipos de unidades de disparo electrónicas: Analógica y Digital. Figura 24. Unidades de Disparo Digital y Analógica La unidad de disparo analógica fue desarrollada primero y se considerada el enfoque convencional. Funciona considerando todos los puntos en una curva particular y respondiendo a valores picos. Esto puede causar un problema, puesto que la detección de un pico puede causar un disparo falso. La unidad es también sensible a las armónicas. Figura 25. Detección Analógica de Picos La unidad de disparo digital funciona considerando puntos discretos seleccionados en la curva particular y efectuando una suma de estos puntos discretos. El resultado es lo que se conoce como valor RMS que es más preciso puesto que se utilizan todos los valores en lugar de solamente los valores pico. Este método se correlaciona mejor con las características térmicas de conductores y equipo. Página 15 Fundamentos de los Interruptores Figura 26. Detección Digital de Picos Las unidades de disparo electrónicas varían en cuanto a características y capacidades con base en requerimientos de sistema. Las características y capacidades de las unidades de disparo electrónicas se comentarán en módulos posteriores puesto que se refieren a tipos de interruptores particulares. Extinguidores de Arcos Un Cámara de Arqueo es el componente de un interruptor que extingue un arco cuando los contactos abren. Un arco es una descarga de corriente eléctrica que atraviesa el espacio entre dos contactos. Los interruptores deben ser diseñados para controlarlos puesto que los arcos no pueden evitarse. Existen cuatro técnicas para extinguir un arco y existen varios métodos de control de arcos. En este módulo se les ofrecerá una introducción a estos métodos. Figura 27. Extinguidores de Arcos ¿Qué es un Arco? ¿Ya recuerda haber extraído una clavija de contacto de un tomacorriente de pared y observado chispas? Lo que usted está observando a escala muy pequeña, era un intento de formación de arco entre los contactos en la pared y los contactos en la clavija en su mano. Para los comentarios siguientes, vamos a definir un arco como una descarga de corriente eléctrica que atraviesa el espacio entre dos contactos. Figura 28. Arco Típico Los arcos son formados cuando los contactos de un interruptor están abiertos bajo una carga. Los arcos pueden ser destructivos y varían en cuanto a tamaño e intensidad. El tamaño del arco depende de la cantidad de corriente presente cuando los contactos son separados. Por ejemplo un arco que se forma Página 16 Fundamentos de los Interruptores cuando se interrumpe una corriente de carga normal es insignificante en comparación con el arco que se forma cuando se interrumpe un cortocircuito. Puesto que los arcos no pueden ser evitados, los interruptores deben ser diseñados para controlarlos. El calor asociado con un arco crea un entorno de gas ionizado. Entre mayor la ionización, mejores son las condiciones para el mantenimiento y el crecimiento de un arco. Entre mayor el arco, mayor es la cantidad de calor creada, lo que eleva la ionización. La formación de un arco es una condición que debe ser manejada rápida y efectivamente a través de un interruptor. Es importante recordar aquí que la capacidad de un interruptor para controlar el arco es el factor esencial de su capacidad de interrumpir un cortocircuito. Es un factor clave para seleccionar los interruptores. Un cortocircuito es la condición de sobrecorriente más devastadora. Una Corriente Cero o Punto Cero es un aspecto muy importante de la extinción de un arco. En una corriente cero, se tienen condiciones óptimas para evitar que siga un arco. Se dice que la corriente es “Corriente Cero” cuando la curva sinusoidal se encuentra en 0°, 180° y 360°. Figura 29. Corriente Cero La tensión es también una consideración importante puesto que es la tensión que mantiene la corriente en movimiento. Si no se controla, la tensión seguirá empujando la corriente a través de la corriente cero para dar nueva vida al arco. La tensión no acepta fácilmente ser detenida durante la extinción de un arco. Si se enciende de nuevo, puede dañar todo el sistema eléctrico. Los interruptores toman en cuenta este proceso mediante la apertura de los contactos y la extinción del arco de manera simultánea. La extinción exitosa del arco depende de la Resistencia Dieléctrica del espacio entre los contactos. La resistencia dieléctrica es la tensión máxima que un dieléctrico puede resistir sin romperse. Un Dieléctrico es cualquier material aislante entre dos conductores. En estos comentarios, los contactos de interruptor son los conductores y el material aislante puede ser aire, gas, o vacío. Si la resistencia dieléctrica es mayor que la tensión que intenta encender de nuevo el arco, la extinción del arco será exitosa. La invención de un dispositivo conocido como DE-ION®, extinguidor de arcos, a principios de los años 1900 por Westinghouse fue un avance revolucionario en la interrupción de arcos. Versiones mejoradas han sido utilizadas durante años en la mayoría de los interruptores y siguen empleándose hoy en día en el caso de los interruptores de baja tensión. Página 17 Fundamentos de los Interruptores Figura 30. Extinción de un Arco Numerosos enfoques para controlar los arcos. Uno de los más exitosos es el uso de Interrupción por Vacío con interruptores en media tensión. Técnicas de Control de Arcos Cada enfoque ha tenido mejoras en comparación con su concepto inicial en el esfuerzo para extinguir arcos de manera más eficiente. Los métodos de control de arco utilizan una o varias de las técnicas generales siguientes: Estiramiento de Arco — El arco es producido cuando los contactos se separan. Conforme se amplia el espacio, el arco es estirado y enfriado hasta el punto en el cual se extingue. Figura 31. Estiramiento de Arco Rompimiento de Arco en partes más pequeñas — El arco es producido cuando se separan los contactos. El arco se eleva en el divisor de arco y se divide, se enfría y se extingue. Figura 32. Ruptura de Arco Apagamiento de Arco — En este método, un gas a alta presión sopla el arco en un divisor de arco para su extinción. Página 18 Fundamentos de los Interruptores Figura 33. Extinción de Arco Contactos Encerrados — En este método, los contactos están alojados en un gabinete sin oxígeno con un dieléctrico, por ejemplo vacío, gas, o bien aceite de enfriamiento. Sin oxígeno, el arco no puede sostenerse y se extingue. Figura 34. Contactos Encerrados Métodos de Control de Arco Existen seis métodos utilizados hoy en día para controlar los arcos. Los dos métodos más comúnmente utilizados son cámara de extinción o arqueo e interruptor en vacío. Los otros cuatro métodos son SF6, bajo volumen de aceite, soplado magnéticoo y puffer. El método con cámara de arqueo o extinción utiliza solamente la técnica de Romper el Arco en Partes más Pequeñas. Está normalmente asociada con interruptores de baja tensión debido a eficiencia y costo. En general, la cámara de arqueo de arco confina, divide y enfría un arco, lo que resulta en que el arco no puede sostenerse. Existe una cámara de arqueo para cada grupo de contactos. Figura 35. Cámara de Arqueo El método de interruptor en vacío utiliza la técnica de Contactos Encerrados en vacío para extinguir arcos. El vacío permite que los contactos sean más pequeños y elimina la cámara de arqueo, haciendo que este método sea más económico y eficiente arriba de 1000V. La formación de arco se efectúa dentro de un gabinete en vacío sellado. Los contactos se encuentran dentro y la formación de arco ocurre cuando los contactos están separados. Puesto que el entorno dentro del gabinete del interruptor es un vacío, un arco no puede sostenerse fácilmente. No alcanzará la intensidad posible como con una cámara de arqueo. Un interruptor en vacío se proporciona para cada grupo de contactos. Página 19 Fundamentos de los Interruptores Figura 36. Método de Interruptor en Vacío El método de SF6 utiliza también la técnica de Contactos Encerrados. Fue un precursor del interruptor en vacío y utilizó gas SF6 como dieléctrico. La energía térmica creada por el arco sirve para romper las moléculas de SF6. Entre mayor la longitud del arco, mayor es la descomposición del gas lo que ayuda a extinguir el arco. Esta tecnología se relaciona más con los fabricantes europeos de interruptores para media y alta tensión. Figura 37. Método de SF6 El método de bajo volúmen de aceite utiliza también Contactos Encerrados en aceite como dieléctrico. La energía de arco es absorbida conforme separa el hidrógeno de la molécula de aceite. El aceite mismo ayuda también a enfriar el arco. Conforme se acerca a la corriente cero, más aceite es atraído en el sistema, enfriando adicionalmente y Desionizando el arco. Se utiliza hoy en día en situaciones de baja tensión y entornos potencialmente explosivos en donde una cámara de arqueo no sería deseable. Figura 38. Método de Aceite Mínimo El método de soplado magnético utiliza la técnica de Romper el Arco en Partes más Pequeñas. Es muy similar al método de cámara de arqueo. El movimiento natural de un arco es hacia arriba, en este caso, en una cámara de arqueo. Una bobina, que se conoce como bobina de extinción, se localiza en el centro de la cámara de arqueo. El arco es dividido en dos. Los arcos son alargados y enfriados conforme se elevan más. El enfriamiento reduce el régimen de ionización. Cuando la ionización se reduce por debajo del nivel necesario para sostener los arcos, se extinguen en la corriente cero. Antes que la tecnología de Página 20 Fundamentos de los Interruptores interruptores en vacío se volviera el método de elección con interruptores de media tensión para extinguir arcos, el método de bobina magnética funcionó bien durante muchos años. El método de puffer utiliza las técnicas de Apagamiento de Arco y Contactos Encerrados. Utiliza gas SF6 como dieléctrico. Es el método más eficiente y más efectivo en cuanto a costo arriba de 38 kV. Este tipo de interruptor es básicamente un par de contactos separables, un pistón y un cilindro, montados en un depósito de gas. Conforme los contactos se separan, el pistón se desplaza hacia arriba para empujar el gas a través del arco para interrumpirlo. Utiliza también bobinas y se aprovecha de los efectos magnéticos naturales para crear una fuerza suficiente para extinguir el arco. Figura 39. Método Puffer Como usted lo observó, existen varias técnicas para manejar efectivamente la extinción de arcos y se siguen produciendo mejoras. Métodos para Montar Interruptores Los Métodos para Montar Interruptores se refieren a la forma como se utiliza un interruptor en su montaje o compartimiento individual. La facilidad de reemplazo y el costo unitario son dos factores a tomar en cuanta cuando se selecciona un método para montar interruptores. Los interruptores, según el tipo y/o la aplicación particular, se montan para su uso en una de tres formas básicas: Montaje Fijo • Fijos • Removibles • Extraíbles Un interruptor atornillado en su compartimiento y cableado sobre el marco se considera interruptor fijo. Este método tiene el costo de compra más bajo, es confiable y puede montarse por la parte frontal. Es apropiado para 600V y menos. La alimentación de energía al interruptor debe ser apagada con el objeto de remover y reemplazar esta unidad. Página 21 Fundamentos de los Interruptores Figura 40. Interruptor Montado Fijo Removible Un interruptor removible tiene dos partes: una base, la cual es atornillada y cableada sobre el marco, y el interruptor en sí, enchufado en la base. Esto permite el reemplazo de la unidad sin nuevo cableado. Este método tiene un costo de adquisición moderado, una buena confiabilidad y puede montarse desde la parte frontal. Es apropiado para 600V y menos. La alimentación de energía al interruptor debe ser apagada con el objeto de remover o reemplazar el interruptor. Figura 41. Interruptor Removible Interruptor Removible Un interruptor removible tiene dos partes: una base, la cual es atornillada y cableada sobre el marco y el interruptor en sí, que se desliza en la base. Esto permite el reemplazo de la unidad sin tener que interrumpir la alimentación de energía al interruptor. El movimiento del interruptor hacia dentro o fuera puede ser manual o bien puede lograrse a través de algún tipo de mecanismo de engranaje. Este método tiene el costo de adquisición más elevado, es muy confiable, permite pruebas con conexión eléctrica, se monta por la parte posterior. Es apropiado para todas las tensiones. La carga debe ser desconectada para probar, remover o reemplazar el interruptor. Como característica de seguridad, se encuentra interconectado para desconectar automáticamente el suministro de energía durante la remoción. Página 22 Fundamentos de los Interruptores Figura 42. Interruptor Removible Un mecanismo de engranaje permite el desplazamiento de un interruptor de circuito, habitualmente haciendo girar una palanca. Por diseño, solamente la carga del interruptor debe ser desconectada para extraer el interruptor a partir de la posición “Conexión”. Esto se logra a través de interconexiones integradas que abren automáticamente el interruptor antes del inicio de la remoción. La característica de remoción es bastante benéfica puesto que no se tiene que apagar el suministro de energía a todo el montaje para dar mantenimiento a un interruptor. Página 23 Fundamentos de los Interruptores Estándares Para que un interruptor pueda ser utilizado, debe cumplir con uno o varios conjuntos específicos de estándares: ANSI, CSA, IEC, IEEE, NEMA, NEC y UL. Los estándares aplicables pueden ser domésticos, internacionales o ambos. Figura 43. Estándares Mundiales Como se puede observar, los estándares varían en el mundo. Sin embargo, el impacto que los estándares tienen sobre el diseño y la aplicación de interruptores a nivel mundial es profundo y proporciona un resultado muy positivo para los usuarios de los interruptores. Detalles específicos sobre estándares se comentarán en el módulo correspondiente a cada tipo de interruptor. Página 24 Fundamentos de los Interruptores Repaso 2 Conteste las siguientes preguntas sin ver el material que se le acaba de presentar. 1. La función de la unidad de disparo es disparar el mecanismo de operación en caso de una sobrecarga o cortocircuito. VERDADERO FALSO 2. Los dos tipos de unidades de disparo son: A. transformador de corriente B. disparador en derivación de transferencia de flujo C. electromecánica D. electrónica 3. Los interruptores son diseñados para extinguir arcos. VERDADERO FALSO 4. La clave de la capacidad de un interruptor para interrumpir un cortocircuito es su capacidad de controlar un arco. VERDADERO FALSO 5. Cada medio ciclo, una forma de onda de corriente alterna pasa a través de un punto que se conoce como __________ __________. 6. Si la resistencia dieléctrica de los contactos es mayor que la tensión, la tensión será sometida a sobrepotencia y un arco continuará. VERDADERO FALSO 7. El hecho de encerrar los contactos en vacío para el propósito de extinguir arcos funciona bien puesto que el vacío es un excelente dieléctrico. VERDADERO FALSO 8. Los dos métodos más comúnmente utilizados para el control de arco son cámara de arqueo y soplado magnético. VERDADERO FALSO 9. Liste las tres formas generales de montar un interruptor. _________________, _________________, _________________ 10. Seleccione el tipo de montaje de interruptor que puede encontrarse en estado de “conexión” para servicio. A. Fijo B. Removible C. Extraíble Página 25 Fundamentos de los Interruptores Glosario Amperaje de Operación Es la cantidad de corriente que un dispositivo de protección puede llevar continuamente sin deteriorarse ni rebasar los limites de elevación de temperatura. ANSI American National Standards Institute. Arco El efecto generado cuando la corriente eléctrica pasa por el espacio de aire entre dos conductores que no están en contacto. Cámara de Arqueo Un método común utilizado para extinguir un arco. En general, confina, divide y enfría el arco. Interruptores Un dispositivo de protección contra sobrecorrientes reutilizable. Después de disparo para interrumpir el circuito, puede ser re-inicializado para proteger el circuito otra vez. Contactos Método para abrir y cerrar el circuito conforme los contactos se unen o se separan. CSA Canadian Standards Association. Corriente Cero Un punto en la onda sinusoidal de corriente CA en donde el valor es cero. También “Punto Cero”. Desionizando El proceso de remover la conducción de iones, permitiendo así la extinción de arco. Dieléctrico Cualquier material aislante entre dos conductores. Resistencia Dieléctrica El tensión máxima que un dieléctrico puede resistir sin descomponerse. Montado de manera Removible Un tipo de interruptor que puede ser montado o extraído de su estructura sin desatornillarse, frecuentemente en un mecanismo de engranaje. Corriente de Falla El pico de amperaje creado durante una falla eléctrica. Fijo Un tipo de interruptor atornillado en una posición fija con barra o cable mecánicamente atornillado sobre las terminales del interruptor. Armónicas Múltiplos de la frecuencia fundamental que cuando se agregan, resultan en una onda sinusoidal distorsionada que causa ruido. Habitualmente creadas por equipos electrónicos. IEC Abreviatura de International Electro-technical Commission. Esta organización se asocia con equipos utilizados a nivel internacional. IEEE Institute of Electrical and Electronic Engineers. Capacidad Interruptiva También “Capacidad interruptiva de Amperes” (AIC)”. Una capacidad nominal de la intensidad que un dispositivo protector, por ejemplo fusible o interruptor puede interrumpir con seguridad. Centros de Carga Un dispositivo que suministra electricidad a partir de una fuente a cargas en aplicaciones de alumbrado comercial o residencial. Página 26 Fundamentos de los Interruptores NEC National Electric Code — un grupo de estándares de instalación eléctrica aplicables en los Estados Unidos de América y publicados por la National Fire Protection Association. El NEC funciona con requisitos de UL y es habitualmente obligatorio. NEMA National Electrical Manufacturers Association — establece los estándares de fabricación para cumplir con los requisitos de UL. Sobrecarga (o Sobrecorriente) Una condición en la cual la corriente rebasa la carga normal tomada. Mecanismo Tipo Báscula La manija es operada hasta el punto de no retorno y el mecanismo auxiliado con resorte opera el interruptor. Tablero Un dispositivo de distribución de corriente eléctrica montado en una pared para su uso en aplicaciones comerciales e industriales. Ofrece control de circuito y protección contra sobrecorriente para circuitos de alumbrado, calentamiento y potencia. Conexión RápidaVelocidad con la cual se abren o cierran contactos, Desconexión Rápida independientemente de la velocidad de operación de manija. RMS Media Cuadrática. La corriente RMS se conoce también como “corriente eficaz”. Es la raíz cuadrada del promedio de todas las corrientes instantáneas (corriente en cualquier punto en una onda sinusoidal) al cuadrado. Cortocircuito Una falla eléctrica creada cuando dos conductores expuestos entran en contacto o una falla en un sistema eléctrico causada por un flujo anormalmente alto de corriente debido a una falla de aislamiento. Disparador en Derivación Un dispositivo utilizado para disparar a distancia un interruptor. Switchboard Equipo en el cual una gran cantidad de energía eléctrica se suministra a partir de una subestación y se distribuye en un edificio. Termomagnética La tecnología de unidad de disparo predominantemente utilizada en el mercado doméstico. Un bimetal y un electroimán trabajan conjuntamente para proporcionar protección contra sobrecarga y cortocircuito. Trifásico Tres corrientes eléctricas rotan en un campo magnético y son distribuidas en tres cables. Unidad de Disparo Dispositivo que dispara el mecanismo de operación en caso de cortocircuito o sobrecarga. Energía Almacenada Resortes de apertura y cierre separados operan el en dos Etapas mecanismo de contacto permitiendo un nuevo cierre rápido y seguridad. UL Underwriters Laboratory. Un laboratorio independiente que prueba dos equipos para determinar si cumplen con ciertos estándares de seguridad cuando se utilizan apropiadamente. Página 27 Fundamentos de los Interruptores Interrupción por Vacío Este método de extinción común encierra los contactos en vacío en donde un arco no puede mantenerse fácilmente. Punto Cero También “Corriente Cero”. Un punto en la onda sinusoidal de corriente CA en donde el valor es cero. Página 28 Fundamentos de los Interruptores Respuestas del Repaso 1 1. Verdadero 2. D. Un dispositivo para responder a peticiones de transformador 3. Falso 4. Verdadero 5. B. Fijo; D. Móvil 6. Mecanismos de operación 7. Verdadero 8. Verdadero 9. Verdadero Respuestas del Repaso 2 1. Verdadero 2. C. electromecánico; D. electrónico 3. Verdadero 4. Verdadero 5. Corriente cero 6. Falso 7. Verdadero 8. Falso 9. Removible; montaje fijo; Extraíble 10. C. Extraíble Página 29
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