Interruptores Eléctricos

El fenómeno de interrupción con producción de un arco eléctrico.

La operación de un interruptor ideal es que al separar sus contactos en el instante que la corriente pasa por cero y no se produce arco eléctrico.

En realidad los contactos de interruptor pueden empezar a separarse cuando la corriente tiene un valor cualquiera. Entre los contactos se forma un arco eléctrico que mantiene la continuidad y el cual se extingue al pasar la corriente por cero.

El arco eléctrico.

Al abrir un circuito eléctrico y separar sus contactos se genera un arco eléctrico que mantiene la continuidad del circuito y permite que siga circulando la corriente.

Este arco está constituido por un gas ionizado a temperaturas que van de los 2.500ºC a los 10,000ºC.

Las pérdidas por efecto Joule en el arco proporcionan la potencia calorífica necesaria para mantener las altas temperaturas necesarias para su funcionamiento.

El arco es un conductor gaseoso, que al contrario que en los conductores metálicos ordinarios, la caída de potencial a través del arco varía en proporción inversa a la intensidad de la corriente.

Por lo tanto si se aumenta la intensidad de la corriente, la caída de potencial a través del arco disminuye: el arco, más caliente y más ionizado, ofrece una resistencia menor al paso de la corriente. Si la intensidad de la corriente disminuye, la característica de potencial-intensidad de corriente pasa por debajo de la característica que se obtiene al aumentar la corriente y el arco se extingue para una diferencia de potencial entre los electrodos V0

Interruptores.

El interruptor es un aparato destinado a cortar o establecer la continuidad de un circuito eléctrico bajo carga.

La corriente que tiene que interrumpir el interruptor puede ser la corriente normal del circuito, o una corriente que puede ser mucho mayor devisa a una situación anormal producida por un corto circuito, o una corriente mucho menor que la normal por ejemplo al desconectar una línea de transmisión o un transformador en vacío.

Interrupción de una corriente alterna.

Desde el punto de vista de interrupción, la c.a. tiene una ventaja sobre la c.c., ya que para nuestro caso la corriente pasa 120 veces por cero cada segundo, debido a la frecuencia de 60 Hz.

Esta característica se aprovecha para facilitar su interrupción.

Distintos tipos de interruptores.

Podemos clasificar los interruptores de acuerdo con el medio en que se realiza la interrupción:

1º Interrupción en aire a la presión atmosférica.

En estos interruptores, la corriente que se va a interrumpir se utiliza para crear un campo magnético que impulsa el arco contra un laberinto de celdas de material cerámico donde el arco se alarga y se enfría hasta apagarse.

El medio en que se produce el arco es aire a la presión atmosférica, cuya rigidez dieléctrica es baja comparada con otros medios utilizados para la interrupción del arco. Además la constante de tiempo de desionización del aire a la presión atmosférica es relativamente elevada. Estas características hacen que el aire a la presión atmosférica sea un medio inadecuado para la interrupción en circuitos de alta tensión, pero en cambio puede usarse en interruptores para baja tensión y para tensiones de distribución primaria hasta unos 24 kV.

Este tipo de aparatos presenta la ventaja de que no produce sobrevoltajes lo que es conveniente en circuitos de baja tensión, cuyo aislamiento es reducido.

En las aplicaciones de este tipo de aparatos a la interrupción de circuitos de distribución primaria, en el que el alargamiento del arco debe ser mayor que en el cas de baja tensión, se diseña la configuración de las piezas de cerámica de manera que el arco eléctrico se mantenga corto mientras la intensidad de corriente sea muy elevada y que se alargue cuando la intensidad de corriente disminuye al aproximarse a cero de corriente. De esta manera se disminuye la energía calorífica producida por el arco. Aprovechando los esfuerzos electromagnéticos producidos por la propia corriente, el arco se alarga lo suficiente para que la caída de voltaje en el mismo llegue a ser superior al voltaje del sistema y la corriente se extinga en una forma similar a lo que ocurre en un interruptor de c.c. pero aprovechando la disminución de la intensidad de la corriente en la proximidad de su paso por cero.

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2º Interrupción en Aceite.

Este tipo corresponde a los interruptores de pequeño y gran volumen de aceite. Al realizar la separación de los contactos en un baño de aceite en ligar de en aire a la presión atmosférica, la capacidad interruptiva se aumenta grandemente debido a dos razones principales; primero, la rigidez dieléctrica de aceite es mayor que la del aire a la presión atmosférica; segundo, el arco descompone el aceite, generando hidrógeno y este gas es un medio refrigerante superior al aire, con una constante de tiempo de desionización baja.

En los interruptores en aceite, los contactos se rodean de un recipiente pequeño, la cámara de interrupción provista de algún orificio de salida. El hidrógeno desprendido por el arco y confinado en la cámara de interrupción aumenta a presión, lo que aumenta la rigidez dieléctrica del gas; además el gas a presión que atraviesa el arco para salir por los orificios de la cámara de interrupción enfría el arco.

Con este tipo se alcanzan capacidades interruptivas de 25 kA eficaces y se han realizado para voltajes hasta de 765 kV usando varias cámaras en serie.

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3º Interruptores en aire comprimido.

Como ocurre en general con todos los gases a presión, el aire comprimido posee una rigidez dieléctrica y propiedades térmicas muy superiores al aire a presión atmosférica. Esto se debe al aumento de la densidad molecular que tiene por efecto de multiplicar las colisiones entre las partículas y acelerar asó los intercambios térmicos y las reacciones de recombinación de partículas cargadas, lo que constituye el proceso de desionización. Esto proporciona constates de tiempo de desionización reducidas, que permite realizar la interrupción al pasar la corriente por cero con arcos eléctricos relativamente cortos.

Todos los interruptores de aire comprimido utilizan el flujo de aire a presión a través de toberas y su descarga a la atmósfera. El arco, centrado en la tobera y sometido a la corriente gaseosa, sufre un enfriamiento muy enérgico que contribuye a su desionización, que se facilita por los fenómenos de turbulencia.

Se alcanzan así capacidades interruptivas hasta de 275 kA eficaces y tiempos de interrupción de un ciclo y se han realizado interruptores de aire comprimido para tensiones de 800 kV y aún superiores, utilizando varias cámaras de interrupción en serie.

En estos interruptores el aire comprimido sirve como dieléctrico, como agente de interrupción y como medio de transmisión del movimiento a las partes móviles del interruptor.

Par que sus cualidades dieléctricas y térmicas no se deterioren, el aire comprimido debe estar deprovisto de humedad. Generalmente las presiones se utilización son del orden 25  en aparatos para alta tensión. [pic 3]

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4º Interrupción en Hexafloruro de Azufre.

El hexafloruro de azufre es un gas incoloro e inodoro, con una densidad cinco veces mayor que la del aire. Es sumamente estable hasta temperaturas de 500ºC y permanece gaseoso, a una presión de 4.5 , hasta temperaturas inferiores a 40ºC bajo cero. [pic 5]

Estas propiedades se deben al gran tamaño de la molécula del SF6 y a su capacidad de reducir la velocidad de los electrones libres, que el campo eléctrico tiene a acelerar y cuyo desplazamiento constituye el proceso inicial de la descarga.

La ventaja fundamental del SF6 con respecto a otros gases reside en la mayor conductibilidad eléctrica del núcleo y la menor conductibilidad térmica del plasma. La energía térmica transferida por el plasma al medio circundante es menor en consecuencia la temperatura del núcleo es más alta, su conductibilidad eléctrica mayor y correlativamente la caída de voltaje en el arco es menor.

A medida que disminuye la intensidad de la corriente al aproximarse a su paro por cero, la temperatura baja y el núcleo, que es la principal porción conductora desaparece,. En el SF6 el plasma, a esa temperatura reducida, no conduce prácticamente corriente.

Finalmente cuando aparece el voltaje de recuperación entre los contactos del interruptor el carácter electronegativo del flúor hace que se formen iones negativos de flúor por captura de electrones libres, que se recombinan con iones positivos de SF6 evitando así el fenómeno de avalancha de electrones que podría conducir el restablecimiento del arco.

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