La
aparición de un arco de defecto entre las barras de un cuadro es un accidente
cuya probabilidad es extremadamente pequeña si la instalación está bien
diseñada, construida y mantenida.
Los
datos estadísticos recogidos durante largo tiempo y en un gran número de
instalaciones en servicio muestran que esta probabilidad, desgraciadamente, no
es nula.
Teniendo
en cuenta las graves consecuencias que se derivan de una descarga en un cuadro
(parada de la producción de una fábrica, coste de la puesta en servicio, accidentes
de personas) resulta claro que tanto el diseñador como el instalador y el
usuario deben de poner todo su empeño en conseguir que la probabilidad de
aparición del arco sea muy pequeña y que, si llega a producirse, sus
consecuencias sean mínimas.
La
disposición de los elementos de la instalación debe poder hacer frente a los riesgos
del arco eléctrico parasitario, tales como:
Riesgos A:
Se
deben al conjunto de la instalación: calidad de los aislantes, distancias
mínimas de aislamiento, apriete adecuado de las conexiones, rigidez de las
barras entre los soportes, dimensionado de las barras para soportar eventuales sobreintensidades
(calentamientos, resonancia), accesibilidad de animales a las partes con
tensión.
Riesgos B:
Se
deben a accidentes más o menos previsibles: entrada intempestiva de agua o de
vapor de agua en un cuadro, choque de vehículos o cargas debidos a falsas
maniobras, vibraciones excesivas producidas por la proximidad de ciertas
máquinas.
Riesgos C:
Se
deben a la intervención de personas.
Figura 1: Arco eléctrico provocado en la manipulación de un cuadro en
tensión
Los
riesgos A pueden eliminarse con una construcción esmerada y con una
verificación exhaustiva al acabar el montaje en el taller del montador, previo
a la conexión en el lugar de utilización. Hay que destacar aquí la importancia
que tiene el diseño del material en sí mismo; los conocimientos técnicos y la
experiencia del personal de la ingeniería del estudio del que depende
directamente la seguridad de la explotación de las instalaciones.
Los
riesgos B, si bien no pueden eliminarse totalmente, siempre se pueden minimizar
escogiendo con cuidado los lugares de implantación de las diferentes partes de
la instalación.
Hay
que considerar especialmente el caso particular de los cuadros instalados en
los navíos: se ha podido constatar la producción de arcos de defecto debidos a
la entrada del agua de mar por las conducciones de ventilación o debidos a
condensaciones abundantes resultantes de fugas importantes de vapor.
Estos
accidentes pueden evitarse con un estudio previo completo de estos riesgos
externos y de los medios apropiados para eliminarlos.
Los
riesgos C están directamente relacionados con la actuación y el respeto a las
normas de explotación y de intervención del personal. Debe de garantizarse la
competencia del personal autorizado para intervenir: de la seriedad que este
personal tenga en su trabajo depende directamente la seguridad del conjunto de
la instalación o de una industria y hasta su propia seguridad.
Figura 2: Maniobras en cabinas de MT
Siempre
es posible diseñar y realizar los cuadros, donde los juegos de barras y sus derivaciones
estén al amparo de toda intervención torpe del personal.
Un
primer método consiste en situar todas las barras bajo tensión dentro de jaulas
metálicas, permitiendo así al personal poder trabajar con seguridad sobre los
circuitos próximos de control.
El
método más seguro, pero también el más costoso (muy practicado en USA),
consiste en cubrir completamente todas las barras, conexiones y piezas de
conexión con barniz clase F y encintar, después del montaje, todas las demás
piezas con tensión.
Diseños especiales para limitar las
consecuencias del arco
A
pesar de todas las disposiciones tomadas anteriormente, todavía puede
presentarse un arco de defecto en la instalación, aunque sea muy poco probable;
se trata entonces de reducir los daños que pueda ocasionar, a fin de poder
restablecer muy rápidamente y con el menor gasto la distribución de la energía.
Se
pueden tomar diferentes medidas, sea mejorando los detalles constructivos del
cuadro, sea en el diseño del esquema o de las protecciones adoptadas.
1º.- Reducir la intensidad de defecto
Los
efectos térmicos son proporcionales a la intensidad de cortocircuito, Icc, que
normalmente podrán reducirse mucho en BT utilizando interruptores automáticos
limitadores.
Es
pues recomendable utilizar estos interruptores automáticos en las entradas a
los cuadros, cuando sus características (calibre, selectividad parcial) son
compatibles con la instalación.
Pero
en las redes de BT, donde la elevada potencia la suministran normalmente varios
transformadores o generadores en paralelo, el valor de la corriente de
cortocircuito sobre el juego de barras puede llegar o sobrepasar los 100 kA
eficaces. De lo que se deduce un riesgo de destrucción muy importante, en caso de
defecto en los cuadros.
Este
riesgo se reduce sensiblemente al adoptar esquemas de distribución semejantes a
los de las redes de abordo de los navíos, donde se alcanza un alto grado de
seguridad.
Los
generadores se reparten sobre dos «semi-juegos» de barras, conectadas
permanentemente, según las necesidades de explotación mediante un interruptor
automático de acoplamiento (figura 3).
Figura 3
Este
aparato de un calibre elevado, de 3 a 6 kA normalmente, debe de ser muy
limitador, lo que lleva necesariamente a un principio de diseño muy diferente
del de los limitadores clásicos. En efecto, el poder de limitación de los
limitadores clásicos disminuye a medida que el calibre aumenta; aunque en
realidad no hay aparatos de este tipo de un calibre superior a 2000 A.
Schneider
Electric ha desarrollado para resolver este problema un interruptor automático
limitador ultra-rápido DURT cuyo tiempo de apertura es inferior a 1 ms.
La
corriente de cortocircuito sobre el juego de barras se encuentra reducido a la mitad
de su valor contando que todas las fuentes trabajan en paralelo. Por tanto, se
reduce el riesgo en caso de un accidente grave en el cuadro.
Por
otra parte, esta disminución importante de la corriente de cortocircuito reduce
en la misma proporción el poder de corte de todos los interruptores automáticos
aguas abajo; el ahorro así conseguido con estos aparatos compensa el coste adicional
de un interruptor automático limitador de acoplamiento.
2º.- Reducción del tiempo de defecto
Los
efectos térmicos son también proporcionales a la duración de t, que se querrá
reducir lo más rápidamente posible provocando la eliminación del
defecto. Pero los aparatos encargados de esta misión, son los interruptores
automáticos de la fuente, que los imperativos de selectividad obligan a menudo
a temporizar. Hará falta siempre por lo menos tener cuidado en ajustar su temporización
al menor valor posible, sin eliminar en estos tiempos los márgenes de seguridad
aparente, lo que sería lamentable en caso de cortocircuito en las barras. Se ha
demostrado que un defecto de 20 000 A, relativamente pequeño en BT, se
propaga a 300 m/s, casi a la velocidad del sonido; por tanto, el arco tiene
tiempo de recorrer 45 m durante los 150 milisegundos de temporización.
Para
solucionar esta situación, Schneider Electric ha desarrollado un sistema de
selectividad lógica que permite mantener una selectividad absoluta sin tener
que incrementar la temporización de los interruptores automáticos, a medida que
se instalan aguas arriba, principio que utiliza la selectividad cronométrica.
3º.- Pantallas consumibles y trampas
para arcos
Es
posible diseñar una disposición de un juego de barras tal que después de un
cierto recorrido del arco, éste quede bloqueado en un extremo sin poder seguir propagándose:
se coloca ante el arco una pantalla «fungible» cuyo espesor dependerá de la
energía que probablemente tendrá que absorber.
Estas
pantallas pueden ser o metálicas, con lo que el arco se consumirá fundiéndolas,
o de un aislante mineral, suficientemente resistente al calor (ver anexo).
Un
aislante orgánico podría provocar, al quemarse, gases tóxicos. Se pueden poner
así sobre las barras piezas de forma apropiada cuya misión es derivar el arco
en una dirección donde sus consecuencias provoquen menos estragos y estando todas
más o menos controladas por una pantalla consumible. Estos dispositivos se
denominan «trampas para arco».
4º.- Pantallas, Pasamuros
El
fraccionamiento de un juego de barras en varios trozos como se acaba de decir
ventajoso añadiendo un aislante físico eficaz entre las diferentes secciones.
Los pasamuros constituyen pantallas sobre las que el arco se parará, pero su construcción
debe de ser tal que sean resistentes al calor del arco durante el tiempo
necesario (ver anexo).
5º.- Ventajas de las cajas
independientes cerradas
Se
produce un cortocircuito en un aparato por haberse olvidado sobre él una
herramienta o una pieza metálica. Generalmente el arco que se crea encuentra
buenas condiciones locales para permanecer «confinado» sobre el aparato incriminado,
ionizando fuertemente las zonas próximas. Resulta que, si el interruptor está
situado en un armazón, la ionización puede provocar descargas sobre los interruptores
automáticos y juegos de barras vecinos y éstos la descarga general en toda la
instalación.
En
cambio, si cada aparato está separado del resto de la instalación por paredes
metálicas, el riesgo de la generalización del defecto desaparece.
Cada
aparato de maniobra se instala en el interior de un compartimento exclusivo
cerrado donde sin embargo hay una zona neutra reservada para que la expansión
del gas evite las sobrepresiones (ver anexo).
Figura 4: Sección de una Celda Blindada MCSet (Schneider Electric)
El
acceso a los bornes de entrada y de salida se realiza por medio de pasamuros
aislantes, limitando al interior del compartimento las consecuencias de
cualquier arco que se produzca en su interior y protegiendo al aparato de un
arco de origen externo.
Las
maniobras de explotación del aparato (apertura y cierre) así como su puesta
fuera de servicio por su entrada o por su salida (desenchufado) se realizan a
puerta cerrada.
La
retirada se ha de hacer abriendo antes completamente la caja del aparato; por
tanto, el personal que ha de trabajar directamente ahí (para mantenimiento,
control o sustitución) se encuentra entonces fuera del alcance del juego de
barras y al amparo de cualquier «fogonazo» proveniente de otro aparato de ruptura
situado en un compartimiento vecino.
6º.- Resistencia a los arcos internos
en los cuadros AT
En
las instalaciones de alta seguridad, ha surgido la necesidad de diseñar cuadros
prefabricados AT capaces de soportar un arco interno, de tal manera que la
seguridad del personal presente en las proximidades del cuadro no sufra ningún
peligro por las chispas o las proyecciones de elementos del cuadro.
El
diseño de estos cuadros especiales se realiza con ensayos reales en potencia,
seguidos de simulaciones con programas de cálculo.
El
proceso de evolución de un arco naciente en un espacio cerrado equipado con los
captadores indispensables de sobrepresión, produce un conjunto de fenómenos complejos
a lo largo de las siguientes fases de análisis:
- fase de compresión (de 5 a 15 ms) en
la que la presión se eleva entre 1,2 y 1,8 bares,
- fase de expansión (una decena de ms)
seguida de la apertura de las válvulas de sobrepresión y que coincide con una
caída de presión,
- fase de emisión (200 a 300 ms) durante
la que los gases calientes se evacúan con un régimen casi constante,
- la fase térmica (desde 200 ms hasta
varios segundos) en la que el arco quema las planchas o los aislantes hasta la
perforación. Así una plancha de 4 mm la perfora un arco de 35 kA en 300 ms.
La
verificación de la resistencia al arco interno tuvo, ante todo, que estar codificada
por una directiva de PEHLA (organismo de ensayo alemán) y posteriormente 1 978
por la modificación nº 2 de la CEI 298, debida a los trabajos del subcomité 17
C.
Figura 5: Ensayo de arco interno en cabina de MT
7º.- Detección optoelectrónica
Puede
conseguirse una notable reducción de los efectos destructores del arco
reduciendo su duración por debajo de su límite convencional de un segundo; este
límite corresponde al tiempo de intervención de la protección, a menudo más
elevada, debido a los imperativos de selectividad. Se consigue esta reducción
de la duración del arco instalando detectores optoelectrónicos que producen también
la apertura del interruptor automático principal (de entrada o de acoplamiento)
en menos de 100 ms.
La
fase térmica es prácticamente inexistente, consiguiéndose una reducción notable
de los desperfectos y la posibilidad de una reposición rápida del servicio.
ANEXO
Características constructivas descritas
en los apartados 3º, 4º y 5º
aplicadas a celdas de MT
Figura 6: Características constructivas de celdas de MT
FUENTE:
Schneider
Electric: Arcos de defecto en los juegos de barras de los cuadros (G. Bouvier y
A. Ducluzaux)
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