Un interruptor automático de baja tensión se
llama «Iimitador» cuando es capaz de reducir fuertemente la corriente de
defecto de una instalación, tanto en lo que se refiere al valor de la corriente
como a su duración. Un defecto de 22.000 A puede, por ejemplo, quedar limitado
a una onda de corriente de 6.000 A, y no durar más de 3 ms (fig. 1).
Figura 1
Con ello se dividen los daños provocados por un
cortocircuito por un factor comprendido entre 10 y 100, y la continuidad de
servicio de una instalación queda muy mejorada. La limitación debida al
interruptor automático depende de la misma corriente y de una tensión de arco
que fuerza el paso por cero de la corriente. Es lo mismo que en el caso de un
fusible: la corriente de defecto, por efecto Joule, provoca la fusión del hilo con lo que se
obtiene una tensión de arco.
En el caso de un interruptor automático
limitador, esta tensión se obtiene por la apertura física de los contactos, que
crea un arco de conmutación. Seguidamente se provoca un desplazamiento rápido
de este arco hacia una cámara de ruptura, en la cual se subdivide el arco para disipar más energía y al mismo tiempo
aumentar su tensión.
La
rapidez de operación
La tensión de arco es una característica propia
de la arquitectura de las cámaras de ruptura de un interruptor automático, pero
una tensión de arco elevada no es una condición suficiente para que un interruptor
automático sea limitador; también es
necesario que esta tensión se introduzca lo más rápidamente posible en el
circuito: Si no aparece hasta los 5 ms, el aparato no es limitador, pues no
habrá modificado el valor de cresta de la corriente; en efecto, en una red a frecuencia
industrial, el valor máximo de la corriente de defecto se alcanza aproximadamente
a los 5 ms del inicio del defecto. Por tanto la característica principal de un
interruptor automático limitador es su capacidad para establecer muy pronto una
tensión de arco elevada (en un tiempo del orden del milisegundo para un
cortocircuito medio).
La rapidez de establecimiento de una tensión de
arco está condicionada primero por la rapidez de la apertura de los contactos y
seguidamente por la rapidez de desplazamiento del arco hacia la cámara de
ruptura.
Ejemplo:
Un generador trifásico de 50HZ, 400 V entre
fases, de potencia aparente S = 3.200 kVA y con una corriente de cortocircuito
máxima de 100 kA eff. (con una cresta que puede rebasar los 200 kA
asimétricos). La derivación máxima inicial de la corriente es de 44 kA/ms.
Figura 2: Esquema de principio de un
circuito con defecto
Para evitar el desarrollo de las corrientes
enormes mencionadas y para no tener que prever el soportar sus efectos, hemos
de interponer en el circuito un dispositivo de protección A, limitador, que al
presentarse un cortocircuito, genera una caída de tensión Ua que juega el papel de una fuerza contra-electromotriz que se
opone al crecimiento de la corriente.
Las condiciones a considerar para el valor de Ua para limitar la corriente serían:
El esquema equivalente monofásico, para un
cortocircuito franco, corresponde con la siguiente relación:
Una representación vectorial de la impedancia
equivalente para un factor de potencia cos φ ≤ 0,25 (corresponde a φ >75º), muestra que el término L di/dt es mucho mayor
que el término Ri. (fig. 3), con lo que despreciando este último:
Figura 3: Representación vectorial de
las dos componentes Ri y L di/dt.
Cuando la corriente, limitada, alcanza su valor
máximo, se cumple que:
ya que la tangente es horizontal y no hay, en
este instante, variación de la corriente. Luego
e
= Ua
esta expresión nos permite llegar a la conclusión
que:
"el valor máximo de la corriente limitada se
alcanza cuando la caída de tensión del arco Ua
se iguala al valor de la tensión del generador, e". (fig. 4).
Nota: ts es el
instante de la aparición de la tensión ua
(por ejemplo: separación de contactos o bien vaporización de un elemento
fusible).
Figura 4: Curvas u = f(t) e i = f(t) desarrollo
de la tensión del arco y su consecuencia: la reducción de la corriente de cortocircuito.
Una primera consecuencia, que no exige
demostración es que la limitación de corriente, para un aparato determinado es
tanto más fácil cuanto menor es la tensión
e de la red.
Sea ts
el instante de aparición de la tensión Ua
(por ejemplo: separación de los contactos o vaporización de un elemento
fusible).
Sea P
el punto de intersección de las curvas de generación de la caída de tensión de
arco Ua y de la tensión del generador
o de la red, e.
Se aprecia inmediatamente que para obtener una
correcta limitación resulta indispensable que el instante P de intersección de las curvas de tensión sea antes del valor
máximo de la corriente presunta (o sea < 5 ms a partir del punto de valor O en 50 Hz). Por ello es interesante un
crecimiento de la caída de tensión de arco Ua,
lo más rápido posible.
De otra parte, es también interesante que el
valor de UM, máximo de Ua, sea superior al tiempo T de duración de la sobrecorriente en comparación con el tiempo
de duración prevista del cortocircuito no limitado.
Contribución
de la corriente de defecto en la apertura del interruptor
En todos los interruptores automáticos, a partir
de un umbral de corriente se dispara un mecanismo
de enclavamiento que permite asegurar la apertura de los contactos. Esta acción
es relativamente lenta, debido la puesta en movimiento progresivo de toda una
serie de piezas mecánicas; además esto introduce un retardo de la apertura,
constante para cualquier intensidad del defecto.
A fin de remediar este inconveniente, los
interruptores automáticos limitadores hacen uso, casi todos, de la acción
directa de las fuerzas electromagnéticas debidas a la corriente de defecto para
abrir los contactos. La acción es así tanto más rápida cuanto más importante es
el defecto.
Después de la separación de los contactos, las
mismas fuerzas electromagnéticas desplazan el arco hacia la cámara de ruptura.
Pero, para lograr un desplazamiento aún más rápido, el interruptor automático
utiliza una parte de la energía disipada por el arco que acaba de crearse entre
los contactos.
El aumento de presión debido al calentamiento
brutal del aire contenido en el aparato, así como la evacuación de gases de
materiales próximos al arco, crean un flujo gaseoso violento que arrastra el
arco hacia la cámara de ruptura. El enclavamiento mecánico sólo tiene por
función confirmar la apertura de los contactos, antes de que las fuerzas
electromagnéticas puestas en juego para abrirlos disminuyan demasiado o desaparezcan
al anularse la corriente.
Al dar a la corriente de defecto el papel
principal en el funcionamiento de un interruptor automático limitador, se
obtiene una rapidez de acción adaptada a cada defecto, pero la previsión del
comportamiento de un interruptor automático se hace más difícil: por una parte
se utiliza una parte de la energía del defecto para limitar el mismo defecto y
de la otra la acción del interruptor automático dependerá de la evolución del
defecto dentro de la instalación, paso del defecto de un régimen fase-tierra a
un régimen trifásico, o intervención de otro órgano de protección aguas arriba
o aguas abajo (interruptor automático o fusible), siendo esta la base de la “filiación”
entre interruptores.
Se conoce con el término «coordinación» al comportamiento
de dos aparatos, C1 y C2, instalados en serie en una distribución eléctrica, al
aparecer un cortocircuito aguas abajo de C2 (figura 5).
Figura 5: Dos interruptores
automáticos C1 y C2 puestos en serie en un circuito
La «filiación» también denominada «cascading»,
«series rating» o «protección de acompañamiento». refuerza el poder de corte de
los interruptores situados aguas abajo de un interruptor limitador. El
interruptor limitador ayuda al interruptor situado aguas abajo limitando
fuertes corrientes de cortocircuito. La filiación consiste en instalar un
aparato C2, cuyo poder de ruptura Icu2 es inferior a la corriente de
cortocircuito trifásica en sus bornes (Icc2) y que está protegido o «ayudado»
por otro aparato, el C1 ante los cortocircuitos de corriente comprendida entre
Icu2 e Icc2 (figura 6).
La ventaja principal de esta técnica es el poder
instalar en el punto C2 un aparato de menores prestaciones y, por ello, más económico,
sin el menor riesgo sobre la seguridad de la instalación.
Figura 6: Principio de filiación de
dos interruptores automáticos: el aparato C2, cuyo poder
de corte Icu2 es inferior a la
corriente de cortocircuito trifásico en sus bornes (Icc2),
está protegido o "ayudado"
por el aparato C1.
Para determinar y garantizar la coordinación
entre dos interruptores automáticos, es necesario efectuar una primera aproximación
teórica de las características, que deben de confirmarse mediante ensayos elegidos
cuidadosamente. Este es el procedimiento utilizado para poder establecer las tablas
de selectividad y filiación de acuerdo con las del anexo A de la CEI 60947-2.
Las aproximaciones o métodos teóricos previos
consisten en:
- para la selectividad, la comparación de las características de limitación del interruptor situado aguas abajo con las características de no-desconexión del aparato situado aguas arriba. (Figura 7). El método es muy exacto y no necesita muchos ensayos de confirmación;
Figura 7: Determinación teórica del
límite de selectividad entre dos interruptores automáticos
- para la filiación, se comparan las características de limitación del aparato colocado aguas arriba con los esfuerzos máximos que puede soportar el aparato a emplazar aguas abajo. (Figura 8). Este método es mucho menos preciso que el anterior y, también en este caso, la CEI 60947-2 exige que los resultados se verifiquen con un número mayor de ensayos.
Figura 8: Determinación teórica del
límite de filiación entre dos interruptores automáticos.
Por tanto, la filiación, como se ha indicado,
permite utilizar un interruptor de poder de corte inferior a la corriente de
cortocircuito calculada en ese punto de la instalación (Figura 9).
Figura 9: Ejemplo de filiación entre
interruptores Schneider Electric con poderes de corte inferiores (b) a las corrientes
de cortocircuito calculadas en una instalación (a)
Curvas
de filiación según la figura 9:
Tabla 1: Para el interruptor de
cabecera con calibre de 220 A y Ics 80 kA se elige en la tabla el NSX250S con
poder de corte de 100 kA
Tabla 2: En este interruptor B si se
puede considerar la filiación con A, elegimos por economía el menor de los
posibles, el NSX 100 B con 25 kA cuando está solo en un punto de la instalación
y 50 kA cuando está por debajo del NSX250S
Tabla 3: Para la filiación del
interruptor C aguas abajo del B vamos a la tabla correspondiente al NSX100B que
aquí se presenta…(ver tabla 4)
Tabla 4: En este interruptor C, se
puede conseguir la filiación con B eligiendo por economía el menor de los posibles,
el IC60H con 15 kA cuando está solo en un punto de la instalación y 25 kA
cuando está por debajo del NSX100B
Por todo lo visto anteriormente, gracias a la filiación
se consiguen fabricar interruptores automáticos más económicos, sobre todo en
los casos de corrientes nominales reducidas. El aparato es recorrido solamente
por la corriente limitada, mucho más reducida que la corriente presunta y solo
debe cortar esta corriente limitada, con lo que se logra minimizar los efectos
térmicos, electrodinámicos y electromagnéticos de las corrientes de defecto,
con lo que se aumenta la fiabilidad y durabilidad de las instalaciones y sus
equipos.
FUENTES:
Schneider Electric: Simulación del comportamiento
en cortocircuito de los interruptores automáticos limitadores de BT (L.
Boillot, J. Mignée)
Schneider Electric:
Coupure en BT par limitation du courant (Pierre Schueller)
Schneider Electric: Evolución
de los interruptores automáticos de BT con la norma CEI 60947-2 (Etienne Blanc).
(VIDEO) Schneider Electric: Uso de las tablas de filiación:
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