Fundamentos de los Interruptores

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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
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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.
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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.
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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.
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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
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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.
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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).
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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.
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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
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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
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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.
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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.
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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.
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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
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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.
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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.
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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.
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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.
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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
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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.
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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.
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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.
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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
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