Las técnicas de corte del arco eléctrico (Parte 1ª)

Historia

Después de los gloriosos albores de la domesticación de la energía eléctrica a principios del siglo XX, una sorprendente diversidad continúa caracterizando las múltiples soluciones aportadas al delicado problema de la interrupción de corrientes eléctricas.

Esta situación es el resultado de la función primordial del arco eléctrico en el corte. Este fenómeno físico, que se desarrolla a muy alta temperatura, escapa por naturaleza a cualquier modelización matemática lo suficientemente precisa como para que su comportamiento pueda ser correctamente predeterminado.

Así, la selección de las soluciones es siempre resultado de la imaginación y de la tecnología de los fabricantes de equipos. A las técnicas, aunque antiguas pero confirmadas, como son el corte en aceite, o en el aire (comprimido o sin comprimir), vinieron a agregarse más recientemente: el corte en hexafluoruro de azufre (SF6) y el corte en vacío.

Efectivamente, desde que el mundo de la distribución eléctrica fue sacudido en la década de 1920 por incendios en instalaciones de Media Tensión (algunas veces de graves consecuencias), se han realizado grandes esfuerzos para remplazar el aceite por otros agentes extintores del arco.

Al principio de esta evolución, se encuentra el disyuntor de pequeño volumen de aceite, que demostró sus aptitudes durante varias décadas en las más variadas fabricaciones, y es aún fabricado en gran cantidad en diversos países por razones económicas.

Paralelamente a éste, aparecieron casi simultáneamente los primeros disyuntores de aire comprimido y los disyuntores con soplado magnético.  Con estos interruptores automáticos de ruptura en el aire, tanto para aplicaciones en BT como MT, los usuarios no se preocupaban de las sobretensiones y muy a menudo no eran conscientes de la resistencia de este fenómeno. En efecto, gracias al soplado magnético en el aire, el gran alargamiento del arco (función del valor de la corriente cortada) y su enfriamiento permiten una ruptura suave, sin sobretensiones excesivas. Estas técnicas fueron satisfactorias durante muchos años, y son aún utilizadas para algunos casos especiales.

A mediados de la década de 1960, aparecieron dos nuevos aparatos, sin aceite: el disyuntor con SF6 y el disyuntor de vacío. Los progresos más espectaculares se debían al nuevo medio de corte, el gas SF6 que se impuso en todas las gamas de tensión, de 1 a 800 kV y en tensiones superiores en la actualidad. Este disyuntor emplea presiones bajas en comparación con aquellas desarrolladas en las antiguas técnicas. Desde entonces, las dos técnicas de corte, en vacío y en SF6, han sido mejoradas incesantemente. Estos progresos han dado como resultado en particular, la reducción de las dimensiones y pesos de los disyuntores, y han acarreado también un acrecentamiento considerable de su fiabilidad y disponibilidad, ya que los disyuntores modernos son capaces de llevar a cabo su función durante periodos de 25 a 30 años, requiriendo únicamente un muy reducido mantenimiento.

El éxito de estas dos nuevas técnicas no tuvo que ser probado.

Sus ventajas son:

-    una duración de vida mucho mayor que la de los interruptores automáticos en aceite,

- un mejor comportamiento en los reenganches rápidos, corte de baterías de acumuladores, etc., en comparación a los de ruptura en aceite o en el aire,

-    un reducido volumen, en relación a los interruptores de ruptura en el aire.

Para reemplazar los interruptores automáticos de ruptura en el aire, en las aplicaciones industriales y particularmente en la ruptura de las corrientes de arranque de motores, el interruptor automático SF6 es la solución, ofreciendo:

-  las ventajas de un ruptura suave,

-  y un volumen mucho menor respecto a los interruptores automáticos de corte en el aire

Las técnicas de corte del arco eléctrico

Para cortar las corrientes de carga o de defecto, los constructores han desarrollado y  perfeccionado los aparatos de corte  (disyuntores y contactores principalmente)  utilizando diversos medios de corte: el aire, el aceite, el vacío y el SF6. Mientras que el corte en el aire o en aceite tienen tendencia a desaparecer, no ocurre lo mismo con el corte en el vacío o el SF6.

El medio de corte

El corte tiene éxito cuando:

- la potencia disipada en el arco por efecto Joule permanece inferior a la potencia de enfriamiento del aparato,

-  la velocidad de desionización del medio es grande,

-  y el espacio intercontactos tiene una resistencia dieléctrica suficiente.

En consecuencia, la elección del medio de corte es importante en la concepción de un aparato.

En efecto, este medio debe:

-  tener una conductividad térmica importante, especialmente en la fase de extinción, para evacuar la energía térmica del arco,

-  volver a alcanzar sus propiedades dieléctricas lo más rápidamente posible a fin de evitar un reencendido intempestivo (la figura 1 muestra las propiedades excepcionales del SF6 al respecto),

-  a temperatura elevada, ser un buen conductor eléctrico para reducir la resistividad del arco y por tanto la energía a disipar,

-  a temperaturas más bajas, ser un buen aislante eléctrico para facilitar el restablecimiento de la tensión.

Esta capacidad de aislante se mide por la resistencia dieléctrica entre los contactos, que depende de la presión del gas y de la distancia entre los electrodos. La tensión de perforación en función de la distancia interelectrodos y de la presión viene dada por la curva de Paschen (figuras 2 y 3) que permite determinar tres zonas según la presión del gas.

1 - La zona de alta presión llamada de «régimen atmosférico» en la que la resistencia dieléctrica es proporcional a la presión del gas y a la distancia intercontactos.

2 - La zona de presión baja, en la que la resistencia dieléctrica alcanza un verdadero mínimo entre 200 y 600 V según el gas utilizado (mínimo de Paschen). Se alcanza para un valor determinado del producto de la presión por la distancia intercontactos, situado alrededor de 10² mbar.cm.

3 -La zona de vacío en la que la tensión de perforación no depende más que de la distancia entre los contactos y del estado de sus superficies.

El estado conductor se asegura por los electrones y los átomos arrancados sobre los contactos en el vacío, y en un gas, por la ionización rápida de las moléculas de este gas.

Estas curvas evidencian los rendimientos posibles según los medios de corte que se han ido utilizando sucesivamente: el aire a presión atmosférica o a alta presión, el hidrógeno producido por descomposición del aceite, el vacío o el SF6. La figura 4 indica los márgenes de tensión en los que cada una de estas técnicas se utiliza hoy. 

Procedimientos de extinción del arco eléctrico

Parachispas o apagachispas

Se ha señalado anteriormente que era indispensable llevar a cabo la extinción del arco eléctrico fuera de los contactos principales, ya que, efectivamente, las superficies de contacto de los mismos deben mantenerse en perfecto estado si se desea evitar, en servicio normal, un peligroso calentamiento que podía incluso provocar su soldadura. A fin de evitar este inconveniente, los aparatos de desconexión están concebidos de la manera siguiente:

En el momento de la desconexión, se empiezan a abrir los contactos principales, quedando todavía asegurada la continuidad del circuito eléctrico mediante los -todavía cerrados- contactos secundarios.  Mientras sigue el movimiento de apertura de los contactos, se abren a su vez los contactos secundarios, cebándose entre ambos el arco eléctrico.

Estos contactos secundarios reciben el nombre de contactos parachíspas.

Existen -según el tipo de aparato de desconexión que se tenga en cuenta- diversas formas de disposición de los contactos parachispas.

En la Figura 5 se representan dos disposiciones, consistiendo una de ellas en un interruptor de baja tensión, y la otra, en un dispositivo que posibilita la desconexión del arco en aceite y en  media tensión.

 

 Figura 5: Contactos parachispas y principales en interruptor de BT (izquierda) 

y en baño de aceite de MT (derecha)

En cada uno de los siguientes párrafos relativos a los procedimientos de extinción, se dará a conocer la posición de los contactos parachispas.

Extinción del arco por ruptura mecánica brusca

Puesto que la extinción del arco eléctrico se obtiene separando los contactos; es decir; mediante alargamiento del arco, los efectos de este último serán tanto más importantes cuanto mayor sea la duración de la misma separación.

Al disminuir la duración de apertura de los contactos, éstos no tienen tiempo de recalentarse, ya que la estabilidad de un arco sólo se realiza por medio de la incandescencia del cátodo, en corriente continua, o de los electrodos, en corriente alterna.  La ruptura mecánica brusca facilita, pues, la extinción del arco.

Figura 6: Dispositivo de apertura brusca mediante muelles

La Figura 6 representa el dispositivo más sencillo de ruptura mecánica brusca.  El interruptor de cuchilla utilizado en baja tensión está dotado de una cuchilla auxiliar C' que se articula sobre la cuchilla principal C; un muelle R tiende a colocar la cuchilla auxiliar sobre la principal; al abrir el interruptor, la cuchilla principal se separa primero del contacto fijo, alargándose, a continuación, el muelle R. Cuando el esfuerzo ejercido por el muelle llega a ser superior a las fuerzas de fricción originadas por el contacto fijo sobre la cuchilla auxiliar, ésta se separa de golpe y a una velocidad prácticamente independiente de la maniobra de la cuchilla principal.

Así se realiza la ruptura brusca, en la que, además, la cuchilla auxiliar desempeña el papel de parachispas.

La mayoría de las veces, la apertura rápida de los contactos se realiza mediante muelles, muy especialmente cuando se trata de interruptores en tensiones de baja y media.

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