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COMISIÓN DE INTEGRACIÓN ENERGÉTICA REGIONAL
INFORME TÉCNICO Grupo de Consultas
Técnicas
Análisis de las Tecnologías utilizadas en Interruptores de
Media Tensión
Grupo de Consultas Técnicas CIER en Mantenimiento en la Distribución
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EL FUNCIONAMIENTO DE LA CIER
La Comisión de Integración Energética Regional (CIER) es una organización internacional sin fines de lucro que agrupa a empresa e instituciones del área de la energía eléctrica, cuyo objetivo principal es promover y estimular la integración del sector energético de América del Sur, satisfaciendo las necesidades de sus miembros en relación con la integración, intercambio y comercialización de bienes y servicios, a través del desarrollo de proyectos, eventos y productos de información. La CIER atiende las necesidades del sector y sus Miembros a través de una organización por áreas típicas: Generación, Transmisión, Distribución, Comercialización y procesos del Área Corporativa, todo ello para mantener la CIER como una organización de gran prestigio en la región, útil para apoyar el desarrollo del Sector y la competitividad empresarial. Un Organismo con una presencia internacional, reconocido tanto por las organizaciones de tipo similar, entidades financieras y de promoción de inversiones. Por ello se mantiene una activa presencia en eventos de relevancia internacional, con contactos institucionales tales como el Banco Mundial, la Corporación Andina de Fomento (CAF), Banco Interamericano de Desarrollo (BID), Eurelectric de la Unión Europea, el departamento de Energía (DOE) de los Estados Unidos de América, IEA, WEC, CIGRE, CIRED y otros. Dispuesto a brindar información sobre noticias, oportunidades y actividades del Sector Eléctrico, siempre dispuesto a servir a sus miembros a través de sus bancos de datos, Internet y foros de discusión. La Comisión se estructura en Comités Nacionales, que agrupan a las empresas y organismos del Sector eléctrico en sus respectivas naciones abarcando a los 10 países de raíces ibéricas en la América del Sur, más los Miembros Asociados. El órgano de máxima decisión de la CIER es el Comité Central, donde participan las autoridades de los Comités Nacionales. El Presidente conduce la organización durante un período de dos años con el apoyo de dos Vicepresidentes con quienes constituye la Mesa Directiva.
Fundada el 10 de julio de 1964
AUTORIDADES DE LA CIER
Presidente Ing. Gabriel Arguello
Ecuador
1er Vicepresidente Ing. Alfonso Toro
Chile
Director Ejecutivo Ing. Plinio Fonseca
Brasil
2do Vicepresidente Cr. Alejandro Perroni
Uruguay
Bulevar Artigas 1040 – 11300 Montevideo, Uruguay Teléfonos: (+598-2) 709-5359; 709-0611 – Fax: (+598-2) 7083193
E-mail: [email protected] – Internet: www.cier.org.uy
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PRESENTACIÓN DEL GRUPO DE CONSULTAS TÉCNICAS OBJETIVO: El análisis, por parte de profesionales especializados en la actividad de distribución, de temas técnicos específicos, que resulten de interés para las empresas miembros CIER, con el objeto de elaborar Informes Técnicos Periódicos Referenciales. ACTIVIDADES: Las actividades del Grupo de Consultas Técnicas CIER son las siguientes: • Elaborar Informes Técnicos • Actualizarlos periódicamente • Realizar aclaraciones y sugerencias • Responder a consultas • Difundir a través de Congresos, Seminarios, cursos o conferencias, el alcance y el
contenido de dichos Informes Técnicos.
Los Informes Técnicos son elaborados en base al aporte de distintos profesionales de la actividad y tomando como referencia las Normas y Reglamentaciones sobre la materia. A fin de asegurar una adecuada calidad y representatividad de los temas, siendo invitados a participar profesionales de destacada actuación en el tema y de diferentes países. En Noviembre del año 2005 se conformó el “Grupo de Consultas Técnicas en Mantenimiento de Sistemas de Distribución” constituido por los siguientes profesionales: Ing. Medina Calderón Luís Gustavo- EEPPM- COLOMBIA Ing. Muñoz Medina Roberto Carlos- TRANSELECTRIC- ECUADOR Ing. Maia Da Rocha Paranhos José Ricardo- COPEL- BRASIL Ing. Meléndez Simoni Rubén Darío- LDSSSA- PERÚ Ing. Delgado Garzón Carlos E.- CENTROSUR- ECUADOR Ing. García Luís- UTE- URUGUAY Ing. Moreno Taboada Gastón- SEPSA- BOLIVIA El Coordinador de este Grupo de Consultas Técnicas es el Ing. Gabriel Ángel Gaudino, Coordinador Internacional de Distribución.
En este artículo se desarrolla el tema “Análisis de las tecnologías utilizadas en interruptores de Media Tensión” como producto del trabajo de investigación
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realizado en los distintos países, por los profesionales que constituyen el mencionado Grupo de Trabajo.
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CONTENIDO:
1.- Objetivo 2.- Índice 3.- Desarrollo 4.- Anexos 5.- Abreviaciones de Normas Internacionales consultadas 6.- Referencias
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1.- Objetivo El objetivo de este Informe Técnico Periódico es efectuar una contribución, por parte de profesionales ligados a la actividades de mantenimiento de diversas Empresas de Distribución de Energía Eléctrica de Latinoamérica, miembros de CIER, sobre el tema “Análisis de las tecnologías utilizadas en interruptores de Media Tensión” hacia todos aquellos interesados en el tema en cuestión. La información existente en este informe fue recabada por los integrantes de este Grupo de Consultas Técnicas en Mantenimiento en la Distribución, proveniente de: Normas Internacionales, Normas Nacionales de cada país, Bibliografía Internacional y Nacional y experiencias propias de los profesionales de las empresas representadas en el Grupo. La elección por parte de los integrantes de este Grupo de Consultas Técnicas de abordar este tema ha sido, la importancia que los interruptores de MT revisten en la distribución. La expansión de los sistemas eléctricos y sus consecuentes problemas de tecnologías adecuadas para la interrupción de circuitos, es un factor común en la totalidad de las empresas de distribución de Latinoamérica y de allí su tratamiento en este informe. Este Informe Técnico tendrá una periodicidad de revisión y actualización de forma tal de contar con un documento actualizado sobre el tema referido.
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2.- Índice
“Análisis de las tecnologías utilizadas en interruptores de Media Tensión”
1. Introducción 2. Interruptor con extinción en aire
3. Ruptura dieléctrica 4. Ruptura térmica
5. Conducción y ruptura en el aire 5.1. Ruptura por soplado magnético
5.2. Ruptura por soplado neumático
6. Conducción y ruptura dieléctrica en un gas
7. Conducción y ruptura dieléctrica en vacío 8. Conducción y ruptura dieléctrica en aceite 9. El interruptor en posición “cerrado” 10. El arco eléctrico 11. Interruptores en SF6
11.1. Interruptor en SF6 “Fluarc FB4”
11.2. Interruptor en SF6 “Fluarc SF1”
12. Principio de funcionamiento de la extinción de arco por soplado tipo Puffer 13. Observaciones detectadas en las actividades de mantenimiento respecto a
variaciones en mediciones de la resistencia de contacto (RC) 14. Interruptores de vacío 14.1. Principio de funcionamiento
14.2. Interrupción de la corriente
14.3. Estado del trayecto de corte en vacío tras la interrupción de la corriente
14.4. Plasma residual: iones provenientes de puntos singulares del cátodo y electrones
14.5 Comportamiento de solidificación de la aleación cobre-cromo
14.6 Resolidificación-Tres zonas de poder de corte
14.7 Poder de corte
15. Resumen comparativo en la evolución de los distintos tipos de interruptores 15.1. Propiedades aislantes
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15.2. Transmisión de calor con contactos cerrados
15.3. Interrupción de corriente de falla
15.4. Recierre automático
15.5. Interrupción de pequeñas corrientes inductivas
15.6. Interrupción de corrientes capacitivas
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3.- Desarrollo
“Análisis de las tecnologías utilizadas en interruptores de Media Tensión”
1. Introducción Un interruptor de MT (Media Tensión) consiste básicamente en un par de contactos dentro de
un medio aislante. Las características inherentes del tipo del interruptor dependerán en gran
medida del medio aislante en que se encuentren sus contactos.
La máxima tensión de operación está relacionada con el comportamiento del medio como
dieléctrico y la máxima corriente que puede interrumpir depende de las propiedades de
extinción del arco eléctrico, entendiendo por arco eléctrico el medio ionizado convertido en
plasma conductor de la corriente eléctrica.
Históricamente, los interruptores usados en redes de MT han operado con contactos en medio
de extinción de aire o aceite, pero actualmente se utilizan en gran medida interruptores donde
el medio de extinción es vacío o SF6.
La pregunta de aquellos que están ligados a la actividad de distribución de energía eléctrica
se hacen, es cuál es la mejor de esas nuevas tecnologías y cuáles son las ventajas frente a
las anteriores tecnologías.
Para responder a ello analicemos las propiedades físicas de los medios aislantes y su
habilidad inherente para cumplir con los requerimientos del interruptor en servicio.
2. Interruptor con extinción en aire Cuando los contactos del interruptor se encuentran abiertos la rigidez dieléctrica del espacio
interelectródico debe ser tal que soporte las tensiones aplicadas sin que se produzca la
ruptura dieléctrica del medio. La tensión aplicada no solo incluye a la nominal del sistema sino
también todo tipo de sobretensiones del tipo atmosférico o de maniobra.
La rigidez dieléctrica entre contactos no dependerá solamente de las propiedades dieléctricas
del medio sino también de la distribución del campo eléctrico. Este parámetro está
determinado por la geometría de los contactos y de los aislantes sólidos que conformen la
cámara de interrupción.
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Para comprender las propiedades aislantes de cada uno de estos medios es conveniente
hacer una breve descripción de los mecanismos físicos de conducción y ruptura dieléctrica en
aire, gases, aceite y vacío.
3. Ruptura dieléctrica
Si se dispusiese de un interruptor que fuera capaz de separarlos contactos en el instante del
paso de la corriente por cero, y que lo hiciera con una velocidad tan elevada que la tensión de
restablecimiento entre ellos no pudiera salvar disruptivamente la distancia que los separa, el
circuito quedaría interrumpido sin que se produjese sobretensión en los contactos de ruptura.
En las condiciones actuales no es factible alcanzar este interruptor ideal.
En el supuesto de que el arco eléctrico se anule en el instante t0 de paso de la corriente por
cero (figura N° 1) la tensión entre bornes del interruptor tenderá a alcanzar el valor de la
tensión de barras donde esté conectado. El valor de tensión entre bornes del interruptor
durante el transitorio hasta alcanzar la tensión de barra, es la denominada “tensión transitoria
de restablecimiento” (utr).
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Figura N° 1
Por lo expuesto, se puede admitir que en el camino del arco se tiene un medio no conductor
con una cierta característica temporal de tensión de perforación, o de rigidez dieléctrica up(t). Mientras circule corriente a través del arco, la tensión entre los contactos de ruptura es la
tensión del arco ua. Su valor varía de forma poco significativa excepto cuando la intensidad de
la corriente se aproxima a su valor nulo en cuyo caso la tensión de arco crece hasta el valor
de la tensión de extinción Ue valor éste que se alcanza en el instante t0. A partir de este
instante y después de un breve período transitorio, la tensión que se tiene entre los bornes del
interruptor es la tensión de barra.
Simultáneamente, el plasma residual del arco presenta en cada instante, a partir de t0 una
tensión disruptiva o de perforación cuya representación temporal up(t) se designa como
característica de regeneración dieléctrica y cuyo valor inicial se admite igual a la tensión de
extinción del arco Ue.
El arco no se re-encenderá y la ruptura del circuito será definitiva si la curva de la
característica de regeneración dieléctrica, up(t) se halla constantemente por encima de la
curva de la tensión transitoria de restablecimiento (TTR), utr(t), pero si por el contrario la curva
de la tensión transitoria de restablecimiento utr(t), llegase a cortar la curva de la característica
de regeneración dieléctrica up(t) se originaría la perforación dieléctrica del medio, re-
encendiéndose bruscamente el arco, tal como acontece en el instante t1 en la figura N° 1 .
La extinción final del arco será solo posible en cada uno de los instantes en que la corriente
se anula, siempre y cuando las tensiones de restablecimiento que aparecen entre los
contactos del interruptor en esos instantes no sean capaces de cebar un nuevo arco a través
del plasma residual que queda entre ellos. Por lo tanto, el camino del arco debe adquirir en un
tiempo muy breve una rigidez dieléctrica suficiente para resistir la TTR entre los contactos. Sin
embargo cuanto más rápidamente se restablece la tensión del circuito, de menos tiempo
dispone el camino del arco para recuperar la rigidez dieléctrica y es por este motivo por lo que
la velocidad de aumento de la TTR desempeña un papel muy importante en el valor del poder
de ruptura del interruptor, siendo:
(1)
12
Además, la velocidad de restablecimiento de la rigidez dieléctrica del camino seguido por el
arco constituye una característica del interruptor dado que depende de la velocidad de
separación de los contactos, de las condiciones de refrigeración y de la rapidez de des-
ionización de la zona del arco.
Es decir, si la TTR no supera la rigidez dieléctrica del medio, la ruptura es definitiva, si la
alcanza, se produce el re-encendido del arco por perforación dieléctrica y se habrá de esperar
hasta un nuevo paso por cero de la corriente en que esto último no ocurra para que el arco se
extinga.
4. Ruptura térmica Cuando se produce el paso por cero de la corriente, el arco se extingue, el plasma entre los
contactos del interruptor conserva durante un cierto tiempo una ionización residual que da
origen a la conductividad post-arco (figura N° 2) la cual determina que la rigidez dieléctrica
dependa también de la VATTR.
Al restablecerse la tensión del circuito entre los bornes del interruptor la conductividad post-
arco permite que circule una corriente a lo largo del camino del arco y el calor que aporta, por
efecto joule, tiende a mantener caliente el plasma post-arco y a debilitar su rigidez dieléctrica
con lo que resulta más fácil que se pueda re-encender el arco.
Figura N° 2
13
5. Conducción y ruptura en el aire
Esta técnica de ruptura ha sido la primera utilizada, el arco salta a través del aire
extinguiéndose lentamente por el efecto ionizante y refrigerante del mismo. Puesto que el aire
a la presión atmosférica mantiene sus propiedades dieléctricas, y que no tiene costo, resulta
el aislante gaseoso más ampliamente utilizado.
La rigidez dieléctrica del aire a 1013 mbar de presión y 25 °C de temperatura es
aproximadamente igual a 30 Kv/cm (valor máximo) lo que corresponde a 21 Kv/cm (valor
eficaz, onda senoidal).
En función de los medios empleados para reforzar la acción des-ionizante y refrigerante
natural del aire, los interruptores de ruptura en el aire normalmente utilizados en MT se
pueden clasificar en:
• Interruptores con soplado magnético
• Interruptores con soplado neumático
Si bien estos interruptores son ampliamente conocidos, haremos una breve descripción del
sistema de ruptura en cada caso.
5.1. Ruptura por soplado magnético
Para lograr una mayor rapidez en la des-ionización y refrigeración del arco, se recurre al
soplado magnético que se basa en el efecto del alargamiento del arco que produce un campo
magnético sobre la corriente del arco.
Mediante esta técnica se puede, además, conducir el arco hacia el interior de una cámara de
extinción de material aislante, refractario, de gran capacidad calorífica, en donde el arco será
laminado y el plasma será enfriado enérgicamente al paso de la corriente por cero.
Para un funcionamiento efectivo de esta técnica, se habrá de conseguir que el arco se
desplace lo más rápidamente posible sobre los electrodos de soplado en forma de antena y
que además, el arco se extinga dentro de la cámara de extinción. (figura N° 3).
14
Figura N° 3
5.2. Ruptura por soplado neumático
También se puede lograr mayor rapidez en la des-ionización y refrigeración del arco soplando
una cierta cantidad de aire sobre el mismo, lo que le alarga y enfría. El sistema de soplado
puede ser auto-originado por el mecanismo del interruptor o mediante un sistema separado
(sistema de aire comprimido). En el caso de este último, se tiene que la tensión disruptiva del
aire comprimido, crece sensiblemente con la presión. Prácticamente a la presión de 10 bar la
tensión disruptiva es del orden de los 90 Kv/cm (valor máximo) y de 135 Kv/cm a la presión de
20 bar. Esta elevada rigidez del aire comprimido y su gran velocidad de desplazamiento son
factores altamente favorables para la rápida extinción del arco.
6. Conducción y ruptura dieléctrica en un gas El mecanismo básico de conducción en un gas es la avalancha de electrones que se produce
al acelerarse un electrón libre en un volumen de gas donde hay un campo eléctrico causado
por la tensión aplicada.
Si el campo eléctrico es suficientemente elevado como para que un electrón libre adquiera
energía suficiente para que al chocar con una molécula de gas neutra provoque la liberación
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de un electrón, se aumentará rápidamente la cantidad de portadores de carga y por ende la
conducción en el gas. Este proceso se denomina “ionización por colisión” y es acumulativo.
Hay ciertos gases denominados electronegativos que tienen moléculas neutras que capturan
electrones libres para formar iones negativos estables.
Este proceso dificulta la formación de la avalancha ya que tiene acción opuesta a la ionización
por colisión.
La ruptura dieléctrica en un gas entre un par de electrodos planos separados a una distancia
“d” y que producen un campo uniforme ocurre cuando la tensión aplicada “U” crea un campo
eléctrico “U/d” suficientemente elevado para que un electrón libre inicie un proceso de
avalancha. Los electrones libres tienen menor masa que los iones positivos y por lo tanto se
mueven en forma mucho más rápida hacia el ánodo que los iones positivos hacia el cátodo.
De esta manera los electrones libres forman el frente de la avalancha mientras que los iones
que permanecen casi estáticos forman una distribución cónica. Esta acumulación de carga
espacial positiva y negativa modifica el campo eléctrico original.
Hay un incremento del campo en el frente y en la cola de la avalancha. El aumento del campo
acelera aún más a los electrones hacia el ánodo e incrementa la ionización por colisión,
convirtiendo a la avalancha en una descarga auto-propagada llamada “streamer”. Cuando el
“streamer” puentea ambos electrodos, con un filamento conductor se produce la ruptura
dieléctrica.
La aplicación cuantitativa de éste concepto de “streamer” permite calcular la tensión disruptiva
“Vd” para campos uniformes para distintas presiones “P” y temperaturas “T” del gas, y para
diferentes espacios interelectródicos. Es posible así obtener en forma teórica la relación que
Paschen determinara experimentalmente y que se expresa de la siguiente forma: La tensión
disruptiva Vd es función del producto de la densidad del gas “δ” y la distancia interelectródica
“d”.
(2)
Donde δ es la densidad del gas ideal
(3)
Donde “R” es la constante del gas.
La figura N° 4 muestra la relación de Paschen para aire y SF6. Las tensiones disruptivas en
SF6 son mayores debido a que es un gas electronegativo. La rigidez dieléctrica del aire para
el campo uniforme es de 3 Kv/mm.bar mientras que la del SF6 es de 9 Kv/mm.bar.
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Figura N° 4
En geometrías distintas a la planar, donde el campo eléctrico se concentra en uno de los
electrodos (campo no uniforme) como el caso de una punta de contacto, la Ley de Paschen
no es válida o sea que la linealidad entre “Vd” y el producto ( δ x d ) se pierde. Esto se debe a
que la formación de un “streamer” no implica que se producirá la ruptura dieléctrica.
7. Conducción y ruptura dieléctrica en vacío Considerando que el flujo de electricidad en un medio aislante depende de la circulación de
electrones e iones positivos y negativos producto de la ionización de moléculas, la
inexistencia de las mismas debería convertir al vacío en el aislante perfecto.
En la práctica tal situación no existe debido a la imposibilidad de eliminar totalmente la
presencia de gases o de la aparición de partículas metálicas sueltas.
Las posibles fuentes de gas son los mismos electrodos, que contienen algunas moléculas
absorbidas o la ampolla de cerámica que al ser calentada a altísimas temperaturas para
producir la juntura cerámica-metal libera algunos vapores de boro, sodio y potasio dentro de la
ampolla.
VD (KV)
1000 SF6
750
Aire500
T= 20 °C250 (bar.mm)
50 100 150 200 250 300P.d
P= Presión del gasd= Distancia entre electrodos
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De todas maneras, la cantidad de moléculas es tan escasa que un electrón puede cruzar el
espacio entre electrodos sin tener colisión alguna. Sin embargo, si se dan las condiciones
para que se forme una nube de gas que puede ser vapor metálico, ocurrirá una avalancha
que producirá la ruptura dieléctrica.
Hay dos hipótesis que intentan explicar la ruptura dieléctrica del vacío. No existe evidencia
experimental contundente a favor de alguna de ellas y es muy probable que ambas sean
válidas.
La hipótesis de “haces electrónicos” sostiene que electrones pueden ser emitidos por efecto
de campo en micro protuberancias del cátodo. Al ser calentados por el campo eléctrico,
harían impacto en el ánodo, produciendo un calentamiento localizado del metal, lo que
provocaría la liberación de vapores metálicos y de gases contenidos en el metal. Estas
moléculas neutras de gas podrían ser ionizadas por el mismo haz de electrones generando
iones positivos que al ser acelerados hacia el cátodo chocarían y generarían electrones, lo
cual llevaría a la ruptura dieléctrica.
Hay una segunda versión que postula que la alta densidad de corriente producida en la punta
de la protuberancia produciría altas temperaturas en dicho punto y la consecuente
vaporización de la protuberancia.
La hipótesis de las partículas de metal sostiene que en caso de que el metal de los contactos
tenga gránulos un poco flojos en su superficie, el elevado campo eléctrico generará una
fuerza electrostática capaz de desprender dicho gránulo y acelerarlo hacia el otro electrodo. El
impacto sería suficiente para vaporizar dicha partícula, con la consecuente ionización y
ruptura dieléctrica.
Por lo expuesto, la rigidez dieléctrica en vacío depende en gran parte del estado de la
superficie de los electrodos y de su material.
Para un par de electrodos cuidadosamente pulidos la rigidez dieléctrica del vacío puede
alcanzar los 100 Kv/mm. Este valor disminuye para espacios interelectródicos superiores a 10
mm.
8. Conducción y ruptura dieléctrica en aceite Es muy poco lo que se sabe sobre mecanismos de conducción en líquidos y por ende del
aceite. La escasez de investigaciones en el tema se debe a su complejidad. No existe una
teoría comprensible de la física del estado líquido que sería la columna vertebral sobre la que
se debería basar la teoría de ruptura dieléctrica de un líquido.
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Ciertos investigadores han tratado de explicar la ruptura dieléctrica de líquidos puros con una
teoría basada en la ionización por avalancha, similar a la de los gases, solo que al no poder
existir electrones libres se asume que el electrón iniciador es provisto por el mismo metal del
cátodo. Los resultados han sido un tanto contradictorios y podría llegar a ser aplicada
solamente a los líquidos de altísimo grado de pureza.
El aceite utilizado en interruptores es un aceite mineral derivado del petróleo. El grado de
purificación que tiene cuando sale de fábrica no es elevado debido al alto costo que esto
implicaría. (Se recomienda leer el Informe Técnico emitido por este Grupo de Consultas
Técnicas sobre “Aceites Aislantes”).
Se ha comprobado experimentalmente que las impurezas sólidas y gaseosas son las que
controlan el mecanismo de ruptura dieléctrica del aceite aislante y en general se puede decir
que la rigidez dieléctrica de un aceite depende más de las impurezas que del aceite en sí.
Uno de los grandes flagelos del aceite en un interruptor es la carbonización que ocurre a
consecuencia de la formación del arco y sus elevadas temperaturas. La cantidad de carbón es
proporcional a la energía del arco (es decir a la corriente interrumpida) y se incrementa
rápidamente con el número de operaciones con corrientes de carga. El carbón reduce
drásticamente la rigidez dieléctrica del aceite. Las partículas conductoras son desplazadas
bajo la acción del campo eléctrico y se depositan sobre la superficie de las partes aislantes de
la cámara de interrupción formando caminos conductores. La ruptura dieléctrica por este
mecanismo se denomina “tracking”. Por esta razón se hace necesario limpiar cuidadosamente
las superficies aislantes durante el mantenimiento.
9. El interruptor en posición “cerrado” Un interruptor pasa la mayor parte de su vida útil en la posición de “cerrado”, por lo tanto uno
de los requerimientos más importantes es que pueda pasar por sus contactos la corriente
nominal del interruptor sin que la temperatura de sus contactos excedan valores que resulten
perjudiciales.
Además debe soportar el pasaje de la máxima corriente de cortocircuito durante un tiempo
determinado sin que sus contactos o estructura se dañen por los esfuerzos electrodinámicos.
Para poder comprender en que grado exigen al interruptor este requerimiento es necesario
analizar el fenómeno físico del contacto eléctrico.
Cuando dos superficies metálicas se ponen en contacto, el área mecánica de contacto es una
fracción muy pequeña del área aparente de contacto. Esta constricción del paso de la
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corriente aumenta la resistencia en el punto de contacto y por lo tanto se produce una caída
de tensión que resulta del orden le los milivolts.
El fenómeno físico de la constricción de la corriente se manifiesta no solamente como una
resistencia de contacto y su consecuente generación de calor sino también genera una fuerza
electromagnética repulsiva entre ambos contactos.
El origen físico de ésta fuerza se puede comprender considerando que el efecto constrictor
modifica esencialmente el flujo axial de corriente produciendo una componente radial de la
misma, pero debido a que la componente axial produce un campo magnético circunferencial,
éste interactúa con la componente radial y produce una fuerza en la dirección axial que tiende
a separar los contactos.
Esta fuerza que depende del cuadrado del valor instantáneo de la corriente, puede alcanzar
valores de 50 Kg. Para corrientes del orden de los 30 KA:
Para minimizar este efecto constrictor, que afecta tanto a la resistencia de contacto como a
los esfuerzos electrodinámicos, es necesario aumentar el área efectiva de contacto, lo cual se
puede conseguir incrementando el número de contactos en paralelo o la presión entre los
electrodos.
El parámetro más importante es sin duda el metal utilizado, siendo la plata la que da mejores
resultados. El inconveniente que se crea es que la plata se vaporiza rápidamente al entrar en
contacto con el arco. Uno de los metales que no sufren tanto el deterioro al arco es el
tungsteno, el cual maximiza el efecto constrictor ya mencionado.
10. El arco eléctrico Cuando se separan un par de contactos por los cuales circula una corriente se establece el
arco eléctrico, el que permite que la corriente continúe circulando. El proceso de conducción
de altas corrientes a través de un gas ionizado o plasma es complejo.
Un gas a temperatura inferior a 2000 °K es un muy buen aislante. A medida que se aumenta
su temperatura comienzan a aparecer mayor cantidad de electrones libres e iones y su
conductividad aumenta hasta valores similares a los del carburo de Si o agua salada. A
temperaturas superiores a los 6000 °K el gas se vuelve un conductor comparable al carbón.
Esto se denomina ionización térmica y el gas se convierte en plasma, donde solo coexisten en
equilibrio átomos neutros, iones positivos y negativos y electrones. La cantidad de cargas
positivas (iones) y electrones son iguales, por lo que decimos que el plasma es neutro.
El arco se establece al separar un par de contactos por los que pasa corriente debido a la alta
densidad de corriente que se registra en el último punto de contacto físico. Esto crea un
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calentamiento localizado que causa la ionización térmica del volumen del gas adyacente que
se convierte en plasma conductor con temperaturas que van de los 8000 °K a los 20000 °K.
Esta altísima temperatura ioniza térmicamente el gas adyacente a medida que los contactos
se separan, convirtiendo a la descarga en auto-mantenida.
Las velocidades de las partículas conductoras en un arco son tan elevadas que le permiten
reaccionar ante condiciones cambiantes en la corriente con retardos del orden de los
microsegundos. Sin embargo si la velocidad de variación de la corriente (dI/dt) es muy
elevada se producirán desviaciones importantes en la conductividad del arco.
En una onda de corriente alterna el mayor (dI/dt) ocurre cuando la corriente se acerca a cero.
Para valores elevados de (dI/dt) la temperatura y la conductividad del arco quedan atrasadas
con respecto a la corriente y la conductividad en el cero puede ser considerable. Este efecto
se suele denominar histéresis térmica y los dos factores que la influyen son (dI/dt) y la rapidez
con que se extrae calor en le instante del cero de corriente.
Para que la interrupción en el cero de corriente sea exitosa el enfriamiento deberá ser
suficientemente rápido ya que si no, la aplicación de la tensión transitoria de restablecimiento
con un valor dado (dU/dt) provocará la circulación de corriente debido a la conductividad
residual. El consiguiente desarrollo de calor produce el aumento de temperatura en la zona de
contacto y si este calor no es disipado rápidamente se producirá el reencendido térmico y el
arco continuará hasta el próximo cero donde la situación volverá a repetirse.
Si el enfriamiento es suficiente para evacuar el calor incorporado, la temperatura comenzará a
bajar y con ella la conductividad hasta que a temperaturas menores a 2000 °K el gas es un
buen aislante. Mientras tanto la tensión transitoria de restablecimiento continúa aumentando
hasta alcanzar su valor pico. Durante este período la rigidez dieléctrica del gas caliente
deberá ser tal que la tensión aplicada no produzca la ruptura dieléctrica por medio del
mecanismo “streamer”.
11. Interruptores en SF6 Los interruptores utilizados bajo este sistema de extinción se dividen fundamentalmente en
dos tipos:
• Interruptores tipo “Puffer”
• Interruptores tipo “Fluarc”
Básicamente, a la temperatura ordinaria el SF6 es un gas pesado, inodoro e incoloro,
ininflamable y no tóxico. La rigidez dieléctrica del SF6, a la presión atmosférica es el triple de
la del aire.
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Pequeñas cantidades de otros gases, como el nitrógeno o el mismo aire, apenas modifican la
tensión de perforación. A la presión absoluta de 22 bar se licua a los 20 °C (figura N° 5) no
existiendo riesgos de condensación si el interruptor se utiliza a temperaturas superiores a -40
°C.
El SF6 se descompone bajo el efecto del arco eléctrico en átomos de S y átomos de F. Los
electrones que a su vez se liberan son capturados, en su mayor parte, por los átomos del
flúor, formándose iones negativos que, por su gran peso, influyen poco en la conductancia del
plasma. Al reducirse la corriente del arco y descender su temperatura por debajo de los 6000
°K, todos los electrones que restan son absorbidos por el flúor por lo que la conductancia del
camino del arco, al cesar la corriente, es prácticamente nula.
Figura N° 5
22
Un ejemplo de tipo constructivo de estos interruptores son los que se muestran en los puntos
11.1 y 11.2.
11.1. Interruptor en SF6 “Fluarc FB4”
Un = 13,2 kV
In = 630 A
Apagado de Arco tipo Puffer
Figura N° 6
11.2. Interruptor en SF6 “Fluarc SF1”
1. Cubierta 2. Sistema de sello 3. Eje 4. Barra de transmisión 5. Barra de Conexión 6. Cojinete de apoyo 7. Terminal superior de Corriente 8. Cuerpo Exterior 9. Base 10. Resorte 11. Válvula 12. Pistón móvil 13. Contacto móvil de arco 14. Contacto móvil principal 15. Contacto fijo de arco 16. Tobera aislante 17. Contacto fijo principal 18. Filtro molecular 19. Terminal inferior de Corriente
1 2 3 4 5
6 7
8 9 10
11 12 13 14 15 16 17
18 19
23
Un = 13.2 kV
In = 630 A
Apagado de Arco tipo Puffer
Figura N° 7
12. Principio de funcionamiento de la extinción de arco por soplado tipo Puffer
En los interruptores en SF6, con soplado tipo Puffer, el movimiento de los contactos de arco
produce una compresión de un pequeño volumen de gas detrás del pistón. El gas comprimido
está atrapado y solo podrá escapar por entre los contactos de arco cuando estos comiencen a
1. Terminal superior de Corriente 2. Cuerpo Exterior 3. Tobera aislante 4. Contacto fijo de arco 5. Contacto fijo principal 6. Contacto móvil de arco 7. Cámara de presión 8. Pistón móvil 9. Base 10. Terminal inferior de Corriente 11. Barra de Conexión 12. Barra de transmisión 13. Sistema de sello 14. Eje 15. Filtro molecular 16. Base 17. Contacto móvil principal
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separarse. La etapa de precomprensión produce una diferencia de presión instantánea que
hace posible inyectar el gas por convección forzada.
Como se ve en la siguiente figura, este tipo de interruptores posee dos juegos de contacto:
• Contactos Principales: por los que circula
la corriente de nominal de carga y sobre los
que se mide la RC.
• Contactos de Arco: soportan los
esfuerzos y desgastes provocados por el arco
eléctrico.
Figura N° 8
Secuencia de apertura de contactos
A B C D
Figura N° 9
• Contactos principales y de arco inicialmente cerrados (A)
Parte Móvil
Parte Fija
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• Precomprensión: cuando los contactos comienzan a abrirse, el pistón comprime el SF6.
En el momento de la apertura del interruptor el contacto principal se separan antes que
los de arco, por lo tanto la corriente continúa circulando por los contactos de arco. (B)
• Período de arco: al separarse los contactos de arco se forma un arco entre ellos. El
arco es enfriado por una corriente de gas comprimido. En el próximo cero de corriente
el SF6 recupera su poder dieléctrico y el arco se extingue (C).
• Apertura total de contactos: el flujo de gas comprimido continúa hasta que los
contactos están completamente abiertos (D).
De estas figuras, pueden destacarse dos aspectos sumamente importantes:
1°) El arco se produce sobre los contactos de arco, especialmente diseñados para ello. Es
decir que la erosión provocada por el arco, solamente puede afectar a estos contactos, que no
son los que transportan la corriente estando cerrado el interruptor, es decir que su erosión no
influye sobre el valor de la RC.
2°) Los contactos principales sobre los cuales se mide la Resistencia de Contacto, no están
sometidos a la acción del arco eléctrico. Por lo tanto un aumento en el valor de la RC, puede
deberse ya sea a un deficiente contacto por una inadecuada presión ó superficie de contacto,
ó la presencia de suciedad ó depósitos entre los contactos fijos y móviles principales.
Vale la pena destacar, la diferencia entre el diseño de contactos principales y de arco
separados, es aplicable a los interruptores en SF6, pero no así a los de Vacío, puesto que en
estos últimos, el contacto de arco, coincide con el principal. En este caso, el fenómeno de
erosión que eventualmente podría provocar aumentos de la RC, es minimizado mediante el
fenómeno de difusión del arco, que distribuye el arco en toda la superficie de los contactos.
13. Observaciones detectadas en las actividades de mantenimiento respecto a variaciones en mediciones de la resistencia de contacto (RC)
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Para que se produzca un arco eléctrico en SF6, se debe haber producido previamente la
ionización del mismo. La alta temperatura generada por el arco produce la descomposición
del SF6 dando distintas sustancias como sulfuros y fluoruros. Una vez extinguido el arco, el
SF6 se reconstituye casi por completo, quedando una pequeña parte de las partículas
formadas en suspensión dentro de la cámara de arco. Estas partículas poseen una
conductividad mucho menor a la de los contactos, se podría decir que tiene características
aislantes. Es importante aclarar que muchas veces se piensa que los filtros absorbentes de
que disponen normalmente las cámaras de interrupción en su interior, sirven para absorber
estas partículas. En realidad estos filtros tienen un material denominado tamiz molecular, cuya
función es absorber la humedad que pudiera tener el SF6, pues esta humedad en
combinación con los productos de descomposición, forman ácidos, que atacan a los
componentes aislantes de la cámara de interrupción.
Una vez extinguido el arco, parte de estas partículas, van a parar al fondo del polo sin
producir efectos de importancia por sus características aislantes, y otra se deposita sobre los
contactos principales formando una delgada capa, provocando un aumento en el valor de la
RC.
La cantidad de polvo producido y en consecuencia depositado sobre los contactos es
proporcional al valor de la corriente interrumpida y a la cantidad de maniobras con corrientes
que realice del interruptor.
Figura N° 10
RC
Capa de polvo depositado
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En la figura anterior puede observarse en forma algo exagerada, el proceso de formación de
este polvo, y la ubicación del depósito entre los contactos principales. En estas figuras pueden
analizarse los siguientes dos fenómenos:
a) El polvo depositado, está sometido mecánicamente a la acción de las fuerzas de
rozamiento que existen entre los contactos principales fijo y móvil.
b) Cuando el interruptor está cerrado, el polvo depositado producirá una mayor
disipación de energía por efecto Joule en la zona del contacto (P = I2 x RC), que
traerá aparejado un calentamiento en la zona de los contactos principales, lo cual
finalmente, provocará la sublimación de la capa de polvo depositada quedando los
contactos libres de partículas y el valor de RC habrá vuelto a valores normales.
Si bien el aumento de RC provocado por el depósito de partículas produce un calentamiento,
la temperatura de los contactos permanecerá siempre dentro de valores admisibles Sin
embargo, si el aumento de RC está provocado por un deficiente contacto debido a falta de
presión ó por desgaste, se produciría un calentamiento que originaría sobre-temperaturas
inadmisibles y peligrosas. Por este motivo, cuando hay dudas respecto del estado de los
contactos, se recomienda el ensayo de calentamiento para despejar dudas respecto de la
peligrosidad del contacto.
Dadas las características aleatorias del aumento de RC provocado por el polvo depositado en
los contactos, es normal registrar valores de hasta 20 veces el valor de RC de fábrica sin que
esto determine el deterioro de los contactos.
En tal caso, se recomienda realizar varias maniobras de cierre – apertura para que el
movimiento de los contactos provoque el desprendimiento de la capa de polvo y luego volver
a realizar la medición. En el caso que el valor de RC no disminuya ó aumente, tal como se
mencionó antes, se recomienda realizar el ensayo de calentamiento.
14. Interruptores de vacío Los interruptores de vacío son confiables, pueden utilizarse para distintos destinos, exigen
poco mantenimiento y son más compatibles con el medio ambiente que cualquier otro
28
interruptor. Esto explica que se haya impuesto en todas las instalaciones de distribución de
energía eléctrica en una vasta gama de potencias.
Las ampollas de vacío son el resultado de años de investigación y desarrollo de los mas
adecuados materiales y geometrías y de avanzadas tecnologías de fabricación.
Figura Nº 11
Figura Nº 12
Las figuras Nº 11 y 12 muestran un esquema típico de constitución de este tipo de
interruptores.
29
14.2. Principio de funcionamiento
En el vacío, en el instante de la separación de los contactos, la corriente a interrumpir produce
elevadas temperaturas en los últimos puntos de la superficie de contacto, causando su
vaporización. Este vapor metálico conduce la corriente hasta un valor casi nulo, después del
cual se producirá la extinción en algunos microsegundos, debido a la precipitación del vapor
metálico sobre los contactos y las pantallas metálicas.
El dieléctrico se regenera inmediatamente.
Un fenómeno característico de la interrupción de corrientes de cortocircuito en las ampollas de
vacío es la aparición de múltiples arcos en paralelo entre los contactos.
Este fenómeno es conocido como descarga difusa, estando caracterizado por una muy baja
tensión de arco de corta duración, produciéndose una energía de arco igualmente baja. Este
hecho explica porque la erosión de los contactos en el vacío es insignificante.
Detalle de este fenómeno analizaremos en los puntos siguientes.
La descarga difusa posee normalmente un límite superior de aproximadamente 10 KA., por
encima del cual los arcos paralelos se unen formando uno solo. Por este hecho puede
producirse un rápido y localizado aumento de la temperatura y la consecuente erosión del
material de los contactos.
En las ampollas de vacío esto es evitado por un campo magnético axial entre las superficies
de contacto, provocando la retención de la descarga difusa del arco hasta alcanzar la
corriente máxima de cortocircuito. (Figura N° 13).
Figura N° 13
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14.2. Interrupción de la corriente
En el momento de la separación de los contactos, se produce un arco eléctrico en el vacío y
lleva la corriente hasta su próximo paso por cero natural. El arco puede existir en dos formas:
como arco difuso y como arco contraído. En caso de una corriente débil, el arco en el vacío es
difuso y solo provoca una erosión mínima de los contactos. Los portadores de carga se
producen en puntos singulares del cátodo. La estabilización que ocurre tras la interrupción de
la corriente, es decir, la aptitud de aislar la tensión de restablecimiento, se instaura en pocos
microsegundos. En cambio, en el caso de corrientes elevadas, el arco se contrae y calienta
una capa delgada de la superficie del contacto hasta la temperatura de fusión del material.
Como consecuencia se tiene que el material de contacto se evapora, aparece un plasma
residual del arco (gotitas) y junto ala estructura superficial pueden influenciar la interrupción
de la corriente.
Para un determinado diámetro de los contactos, cada cámara de interrupción posee un límite
superior de corriente capaz de interrumpir con seguridad. Este límite está dado por la
corriente de cortocircuito nominal. Por medio de investigación básica (registros de sombra de
luz láser, medición de fluorescencia inducida por la luz láser sobre los átomos y los iones, la
dispersión de Mie sobre el plasma y la medición de alta resolución de la tensión y de la
corriente) permiten determinar el estado del trayecto de la interrupción en el vacío, en el
momento del pasaje por cero y también después de pasar por dicho valor.
14.3. Estado del trayecto de corte en vacío tras la interrupción de la corriente
La fusión superficial de los contactos libera vapores metálicos. A diferencia de lo que ocurre
con los arcos eléctricos en el aire o en otros gases, el arco en vacío es el que debe producir
sus portadores de cargas por evaporación e ionización del material de los contactos. El flujo
de los portadores de carga y del vapor metálico del cátodo y del ánodo se condensa
permanentemente en la superficie de los contactos y en las paredes circundantes de la
cámara de corte, razón por la cual deben reemplazarse periódicamente. En función del arco
(difuso o contraído) estos contactos se deterioran a una velocidad variable.
La densidad de las partículas así como su tasa de disminución en el tiempo son funciones de
la corriente de interrupción. La figura Nº 1 muestra el valor máximo de la carga residual “Q” que es proporcional a “n”i del vapor, a la densidad “no “ del vapor y a la densidad “Φ” del flujo
del plasma tras una interrupción de la corriente.
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Figura N° 14
Con corrientes débiles (arco del tipo difuso) se ha medido la densidad del vapor con ayuda de
la fluorescencia inducida por láser. El vapor metálico alcanza una densidad de 1016 a 1017/m3.
Este vapor metálico está constituido únicamente por partículas calientes eyectadas de puntos
singulares del cátodo. La densidad aumenta proporcionalmente a la corriente cortada hasta
un valor de 2 KA. En caso de intensidades más elevadas, se produce una contracción de la
corriente, es decir que se produce un punto singular en el ánodo, esto provoca una fusión
intensa del ánodo localmente. Con ello, la densidad del vapor aumenta hasta valores de
1022/m3. Para corrientes elevadas esta densidad se puede estimar tomando como base
mediciones de emisiones térmicas.
La amplitud de la fusión local de los contactos depende de la superficie del arco, de su
duración, de la tensión, del comportamiento del arco en función del tiempo (es decir
estacionario o en rotación rápida) y del material de los contactos. La velocidad de
refrigeración tras la extinción del arco se determina por la conductividad térmica y por la
evaporación. Dentro de ciertos límites, la temperatura disminuye prácticamente de manera
lineal, lo que se manifiesta por una disminución aproximadamente exponencial de la densidad
del vapor tras el paso por cero de la corriente. El tiempo de disminución típico de esa
densidad es de 800 µseg. En caso de corrientes muy elevadas, esta disminución puede
prolongarse hasta 2 mseg. lo que se explica por la refrigeración más lenta durante la
recuperación del calor de fusión. Ver figura Nº 15 (vista en corte de una cámara de
interrupción y en segundo plano la interrupción de un arco eléctrico)
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Figura N° 15
14.4. Plasma residual: iones provenientes de puntos singulares del cátodo y electrones
Además del vapor metálico, los iones provenientes de puntos singulares del cátodo y los
electrones permanecen en el trayecto de vacío durante un corto tiempo de 300 µseg. Tras el
paso por cero de la corriente, los iones y los electrones se separan en una capa de carga de
espacio delgada que se propaga a partir del cátodo. Este proceso provoca una pequeña
postcorriente. La figura Nº presenta la carga total Q, es decir, la integral de esta postcorriente
que ha sido medida con un convertidor de corriente especial, en función de la intensidad de
arco. La determinación precisa de la densidad del plasma n, es difícil y exige, por ejemplo, el
conocimiento de la repartición espacial del plasma. En un caso especial se ha obtenido una
densidad de plasma de 1019/m3 tras la interrupción de una corriente de 14 KA. La
dependencia de la densidad residual del plasma de la corriente de arco se explica por
empujes de intercambios de cargas entre los iones y los átomos lentos del vapor metálico.
Cuanto más elevada sea la densidad de vapor, mayor es el número de iones frenados. Esto
significa que la densidad del plasma aumenta más que proporcionalmente en relación con la
densidad del arco cuando la densidad del vapor metálico aumenta igualmente.
14.5 Comportamiento de solidificación de la aleación cobre-cromo
Las gotitas y el arco que se forman en el vacío están ligadas inseparablemente. Ellas pueden
como máximo reducirse respecto al número, pero no es posible evitarlas completamente.
Ellas se forman sobre puntos singulares del cátodo o por la presión del plasma del arco en la
superficie fundida de los contactos. El número y la velocidad de las gotitas se determinan por
la dispersión de Mie de un rayo láser intensivo. Para intensidades superiores a 2 KA el
número de gotitas aumenta fuertemente, de manera comparable al crecimiento de la densidad
33
del vapor. Para intensidades aún más elevadas este crecimiento resulta más lento,
inmediatamente tras la interrupción de una corriente de, por ejemplo, 8,5 KA la densidad
máxima del flujo de las gotitas es de 7,4 mm2/mseg.
La disminución de la densidad del flujo de las gotitas después de llegar al paso por cero de la
corriente depende esencialmente de la duración de vuelo de las mismas. Las gotitas de más
de 50 µm de diámetro abandonan el trayecto en vacío a una velocidad de 10 m/seg.
Aproximadamente. Las gotitas más pequeñas alcanzan velocidades de hasta 100 m/seg. Y
deberían por consiguiente abandonar el trayecto en un tiempo mucho más corto. No obstante,
se pueden observar durante varios milisegundos. La razón de ello se debe a las gotitas más
grandes que producen una nube de pequeñas gotitas en el momento de su impacto sobre la
superficie.
Sobre contactos de cobre OFHC (Oxygen-Free High Conductivity) la superficie fundida por el
arco se mueve de manera sumamente fuerte durante el flujo de la corriente y tras el mismo.
En esta ocasión, se emite un número considerable de gotas del orden de dimensión del
milímetro.
En cambio, en los contactos de cobre-cromo las estructuras de fusión y las gotitas son mucho
más pequeñas. La diferencia se debe a las particularidades del sistema bifase cobre-cromo.
Con un contenido de cromo del 25 % el cromo se solidifica a una temperatura de 1920 ºK y
precipita en forma de granos de la dimensión del micrómetro. Los granos de cromo
solidificados impiden el movimiento de la masa en fusión. Para contactos de cobre, el número
de gotitas emitidas durante la fase de la corriente de lata intensidad es por lo menos 5 veces
superior respecto al de los contactos de cobre-cromo.
14.6 Resolidificación-Tres zonas de poder de corte
La figura Nº 14 (ya comentada anteriormente) muestra que la densidad del vapor metálico n0
aumenta más fuertemente con la corriente que el número de gotitas o que la carga Q. El
producto de la densidad de vapor neutro n0 y de la distancia de los contactos d determina
esencialmente el poder de corte del interruptor. Las curvas llamadas de Parchen, que
representan la tensión de descarga disruptiva en función del producto n0d son conocidas para
diversos gases. Por ejemplo, para el nitrógeno, la tensión de encendido mínima es de 270 V
para n0d = 3x1019/m2. La tensión de encendido aumenta con valores de n0d crecientes, hasta
que se llega a la rigidez dieléctrica del trayecto de vacío. Para un valor n0d = 3x1019/m2 la
tensión de descarga disruptiva es de 10 KV.
La interrupción de la corriente puede repartirse esquemáticamente en tres zonas
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I) Superación hacia arriba del límite de poder de corte
II) Llegada precisa del límite de poder de corte
III) Superación hacia abajo del límite de poder de corte
Para una distancia de contactos de 10 mm, las densidades de vapor para las zonas I a III
deberán situarse por encima de 1022/m3, o sea alrededor de 3x1021/m3 y por debajo de
1021/m3. La figura Nº 16 muestra los valores correspondientes de la densidad de plasma tras
el paso por cero de la corriente y la densidad del flujo de las gotitas.
Figura Nº 16
En la figura Nº 16 se observan las zonas I a III de la interrupción de la corriente con las
densidades típicas correspondientes del vapor metálico, del plasma y del flujo de las gotitas.
35
Figura Nº 17
En el grafico de la izquierda de la figura N° 17 vemos un ejemplo de un oscilograma de la
corriente del arco i, de la tensión del arco U. y de la tensión de restablecimiento UHV.
En el grafico de la derecha de la figura N° 17 vemos la tensión de descarga disruptiva U0 de
impulsos de alta tensión con diferentes pendientes de subida du/dt aplicadas en diferentes
instantes tras el paso por cero de la corriente. Los impulsos de corriente de forma trapezoidal
tienen un valor de cresta de 11 KA.
Figura Nº 18
En la figura N° 18 vemos dos oscilogramas típicos de acontecimientos de descarga disruptiva
tras una interrupción de corriente de alta intensidad en la zona I. En caso de densidad de
vapor metálico elevada (zona I) un reencendido se produce en el vapor a partir de la
postcorriente del arco.
36
14.7 Poder de corte
En función de todo lo expuesto podemos concluir que el vapor metálico determina
esencialmente el poder de corte. Si la densidad de vapor, tras el paso por cero, supera el
valor de 1022/m3, la probabilidad de corte es 0%. La descarga disruptiva de la tensión se inicia
por encendido de una descarga de vapor metálico. El plasma residual facilita el encendido,
pero no constituye la causa principal.
Para intensidades en las que la densidad media del vapor tras el paso por cero de la corriente
llegue a 1021/m3 aproximadamente, la probabilidad de un corte con éxito es superior a cero.
No obstante se producen descargas de tensión por el encendido de una descarga en el vapor
metálico. La fuerte inhomogeneidad espacial de la densidad del vapor, en combinación con la
inhomogeneidad del campo eléctrico, provoca de todas maneras una temporización de la
descarga que puede durar hasta 2 mseg.
Cuando las corrientes de cortocircuito nominales o corrientes más débiles carguen el circuito
de interrupción, la densidad del vapor permanece en los valores para los cuales se mantiene
fiablemente la rigidez dieléctrica del trayecto de vacío. El producto n0d correspondiente no
deberá entonces ser superior a 1019/m3 aproximadamente.
14. Resumen comparativo en la evolución de los distintos tipos de interruptores
15.1. Propiedades aislantes
Hemos comentado que el aire tiene una rigidez dieléctrica de 30 Kv/cm a presión atmosférica
y ésta aumenta proporcionalmente a la presión.
La rigidez dieléctrica del aceite limpio equivale a la del aire a 10 atmósferas pero decae
bruscamente cuando se contamina con carbón producido por el arco.
El SF6 tiene una rigidez dieléctrica tres veces superior a la del aire a igual presión y aumenta
linealmente con la presión.
El vacío posee la mayor rigidez dieléctrica pero está fuertemente dependiente de la superficie
de los contactos, que es afectada durante el servicio.
15.2. Transmisión de calor con contactos cerrados
La temperatura del punto de contacto en aire no debe exceder los 100 °C para que no ocurra
oxidación del metal, lo que genera un aumento adicional de la resistencia de contacto.
37
El problema de oxidación no ocurre en aceite y SF6 que a su vez son mejores conductores del
calor.
Las ampollas de vacío han demandado gran esfuerzo de parte de los diseñadores para
incrementar las corrientes nominales debido a que el vacío tiene conductividad térmica nula,
no se dispone de contactos auxiliares y todo el calor debe ser evacuado hacia el exterior por
los mismos electrodos.
15.3. Interrupción de corriente de falla
Los interruptores en baño de aceite (gran volumen) no tienen control del arco y representan
un peligro de incendio, ya que, si la corriente de cortocircuito no se extingue una vez que los
contactos se han separado totalmente, se producirá la explosión del polo con aceite. Es una
tecnología obsoleta y requieren considerable mantenimiento.
Los interruptores de pequeño volumen de aceite ejercen mayor control del arco al estar éste
en una cámara de extinción donde se lo somete a un soplado de H2, que depende de la
magnitud de la corriente a interrumpir. Algunos diseños presentan largos tiempos de arcos en
el rango de corrientes entre 2 y 3 KA, donde la presión de H2 no alcanza el valor necesario
para la extinción. La máxima corriente de falla que puede interrumpir, depende de la máxima
presión que pueda soportar la cámara de extinción. El peligro de incendio es menor que en
los de gran volumen de aceite siendo las cantidades de aceite menores. Desde el punto de
vista del mantenimiento es recomendable cambiar el aceite cada determinado número de
aperturas por cortocircuito, verificando la rigidez dieléctrica del aceite según corresponda. Los
límites de interrupción de este tipo de unidades han alcanzado los 40 KA en 13,2 Kv y 26 KA
en 33 Kv.
La máxima corriente que puede interrumpir un interruptor en SF6 tipo “Puffer” ha alcanzado
valores de 63 KA en 13,2 Kv y 40 KA en 33 Kv.
La máxima corriente que puede interrumpir un interruptor de vacío ha alcanzado valores de 50
KA en 13,2 Kv.
15.4. Recierre automático
En este tipo de maniobras, es importante la rigidez con que el medio se recupera totalmente
después de una interrupción.
El interruptor en aceite es el que presenta mayores dificultades debido al tiempo de extinción
relativamente largo mientras que los interruptores en vacío son los que mejor se adaptan a
este requerimiento.
38
15.5. Interrupción de pequeñas corrientes inductivas
El interruptor de vacío es el que ha presentado mayores inconvenientes debido a la presencia
de sobretensiones generadas por la interrupción prematura de pequeñas corrientes
inductivas. El problema es menos marcado en interruptores en SF6 tipo “Puffer”.
15.6. Interrupción de corrientes capacitivas
Este tipo de interrupción no presenta problemas en ningún modelo, excepto en los
interruptores en aceite, tanto de gran volumen como los de pequeño volumen. Esto se debe a
que se forman burbujas de H2 que permanecen en la cámara después de la interrupción
reduciendo la rigidez dieléctrica durante varios milisegundos.
39
5.- Abreviaciones de Normas Internacionales consultadas ABS: Association Belge de Standardisation
AFNOR: Association Francaise de Normalisation
ASTM: American Society for Testing and Materials
AMN: Asociación Mercosur de Normalización
BSI: British Standards Institution
CESA: Canadian Engineering standars Association
COPANT: Comisión Panamericana de Normas Técnicas
DIN: Deutscher Normenausschuss
ISO: International Organization for Standardization
IEC: International Electrotechnical Commission
IEEE: Institute of Electrical and Electronics Engigeers
IRAM: Instituto Argentino de Normalización
VDE: Verband Deutscher Elektrotechniker
SEN: Svenska Electrotekniska Normer
SNV: Schweizerische Normen-Vereinigun
ABNT: Associação Brasileira de Normas Técnicas
40
6.- Referencias 1.-Análisis de las tecnologías empleadas en la interrupción de corrientes de media tensión. Dr.
Juan C. Tobías-1985
2.-Centrales y redes eléctricas- Buchhold-Happoldt-1974
3.-Centrales eléctricas C.P.D.A.-Cortes M.-1980
4.-Elektrische Kraftwenke und Netze- Happoldt H, Oeding D.-1978
5.-Schalgerate, Grundlagen, Aufbau, Wirkungsweise.- Lindmayer M.-1987
6.-Protección de sistemas de potencia e interruptores-Ravindranath B. Chander M.-1980
7.-Elektrische Schaltvorgange- Rudenberg-1983
8.-Investigation of the high-current interruption of vacuum circuit-breakers-Dullni E.,Schade E.-
1992
9.-Time and spatially resolved spectroscopy. IEEE Trans. Plasma Sci.-1985
10.-Recherche sur disjoncteurs à vide.Dullni E., Plessi A., Reininghaus U.-1989
11.-Measurement of particle and vapor density after high-current vacuum arcs by laser
techneiques. IEEE Trans. Plasma Sci.1987
12.-Dielectric recovery of vacuunm arcs after strong anode spot activity. IEEE Trans Plasma
Sci-1987
13.-Recovery behaviour of vacuum circuit-breakers at the current interruption limit-Dullni E.,
Schade E.-1990
14.- Física del corte de corriente de cortocircuito en interruptores automáticos de vacío. Dullni
E.-1993
41
