Todos los
elementos y aparatos que componen cualquier circuito eléctrico de potencia,
tienen en mayor o menor medida una cierta resistencia óhmica (R), una capacidad
(C) y una inductancia (L), pues se trata de unas características constructivas,
en cierta forma inevitables.
El paso de una corriente eléctrica por el circuito hace que en la
resistencia se produzca un calor por efecto Joule (I2 R)
por tanto, una energía eléctrica que sale del circuito (se «pierde») convertida
en calor.
Desde este
punto de vista, la resistencia se denomina «elemento pasivo».
En la capacidad C se
«almacena» una energía W = 1/2 C · u2 y en la inductancia L se almacena también una energía W =
1/2 L · i2.
Por tanto en un circuito de tensión y corriente alternas estas energías
almacenadas fluctúan entre un máximo, correspondiente a Umáx e Imáx, respectivamente, y cero, para valor nulo de u o i.
Estos parámetros constructivos de resistencia, capacidad e inductancia
componen, en función de la frecuencia, la impedancia Z del circuito.
En régimen permanente, los valores de tensión, intensidad e impedancia
en las diversas partes de un circuito están relacionados de acuerdo con las
leyes de Ohm y Kirchhoff.
Cuando se produce un cambio brusco en los valores de las impedancias,
las corrientes y también ciertas tensiones del circuito varían de valor hasta
alcanzar un nuevo estado de régimen que cumpla con las citadas leyes.
Ahora bien, este cambio de un régimen permanente a otro, se
produce a través de un período transitorio normalmente de muy corta duración
(del orden de microsegundos), durante el cual, pueden producirse sobretensiones
y/o sobrecorrientes que en ciertos casos pueden llegar a ser peligrosos para
los elementos del circuito.
En efecto, al producirse este cambio brusco en la configuración del circuito, las energías almacenadas en aquel momento en las inductancias L y capacidades C, se redistribuyen para adaptarse a la nueva configuración ya que las corrientes y las tensiones parciales también han variado.
Esta redistribución no puede producirse instantáneamente (en
tiempo cero):
- La variación de la energía almacenada en el campo magnético 1/2 L · i2 requiere un cambio en el valor de la corriente. Este cambio provoca como es sabido una fuerza contraelectromotriz e = – L di · dt.
- Por tanto una variación instantánea (t = 0) requeriría una tensión infinita para producirla.
- Análogamente, la variación de la energía almacenada en el campo eléctrico 1/2 C · u2 exige un cambio en la tensión u en bornes del condensador para la cual se cumple i = C du · dt
Por tanto una variación instantánea (t = 0) de la tensión
requeriría una corriente de valor infinito.
En consecuencia estas variaciones de corrientes, tensiones y
energías, dan lugar al período transitorio antes indicado.
Cambio de
régimen en el interruptor
Cuando
un interruptor intercalado en un circuito abre o cierra, provoca un cambio
brusco en la configuración del circuito pues, o bien deja fuera de circuito una
parte del mismo (apertura), o bien añade una nueva porción (cierre). Hay pues
una variación brusca de R, L y C, y por tanto un fenómeno transitorio.
También
se provoca un cambio brusco en la configuración del circuito cuando se produce
un cortocircuito en algún punto del mismo.
La figura 2 lo pone de manifiesto.
Figura
2: Apertura del interruptor
Al
producirse un cortocircuito en el punto P,
quedan bruscamente fuera de circuito («cortocircuitados») R3, L3, C3 y Z.
Como
es sabido, un cortocircuito es habitualmente una situación anormal no deseada,
pues provoca o bien una sobreintensidad peligrosa, o bien una corriente de
recorrido anormal, o ambas cosas a la vez. También puede provocar
sobretensiones (por ejemplo, en cortocircuitos fase-tierra en redes trifásicas
con el neutro aislado o conectado a tierra a través de impedancia elevada).
Por
tanto normalmente, cuando se produce un cortocircuito, se ordena la apertura de
un interruptor de forma que deje fuera de circuito la parte del mismo afectada
por el cortocircuito. Así en la figura
2, se haría desconectar el interruptor D.
Ahora
bien, esta apertura del interruptor representa un nuevo cambio brusco en el
circuito pues se elimina una parte del mismo. En el de la figura 3, serían R2, L2 y C2.
Figura 3: Circuito básico monofásico.
Es
evidente pues que en la apertura de un interruptor sea por maniobra normal,
pero en mayor medida en caso de cortocircuito se produce un fenómeno
transitorio que en muchos casos da lugar a sobretensiones en los bornes del
interruptor y también en otras partes del circuito.
Estas
sobretensiones son en general más importantes en las aperturas de
cortocircuitos que en las de maniobra normal, pero por ejemplo en la
desconexión normal de baterías de condensadores pueden ser también peligrosas.
Por
tanto un interruptor adecuadamente diseñado, especialmente si es para media o
alta tensión (MT o AT), debe ser capaz de soportar y dominar estas
sobretensiones, provocadas por su propia acción de apertura.
El fenómeno
en MT y AT
En los
sistemas de media y alta tensión, por la naturaleza constructiva de sus
elementos (transformadores, generadores, líneas, cables, etc.), la resistencia
óhmica R es muy pequeña frente a la
reactancia inductiva XL (Lω), de
forma que la impedancia Z es aproximadamente
igual a la reactancia XL (Z ≈ X).
Por lo
tanto, en caso de cortocircuito, la corriente que se origina (corriente de
cortocircuito), está prácticamente desfasada 90º en atraso respecto a la
tensión. esto hace que su interrupción sea más difícil.
No
obstante, si bien a estos efectos la resistencia R es despreciable, en otros aspectos juega un papel importante.
Concretamente por su característica de «elemento pasivo» disipador de energía
produce un efecto amortiguador de las sobretensiones tanto en su valor (V o kV)
como en su curso temporal.
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simplificada del proceso de interrupción de una corriente
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