Estudio de la extinción del arco en Interruptores de potencia.

Expositor.Richard Moreno

Arco electrico.

Es una descarga eléctrica (corriente) que se forma entre dos electrodos, con un medio ionizado, sometidos a una diferencia de potencial. Está formado por un camino espeso de moléculas y átomos ionizados que presentan poca resistencia eléctrica y una inercia térmica que lo hace durar.

Formación del arco eléctrico.

Contactos cerrados, mínima resistencia

de contactos, densidad de

corriente casi uniforme.

Separación de los contacto, máxima resistencia, la corriente se concentra en el punto de contacto, aumentando

la potencia disipada en forma de calor.

Ionización del medio e inicio del arco

R=p*l/A

P=I^2*R

Arco electrico.Proceso de ionización de un medio gaseoso.

Ionización térmica o emisión termoica.Es el resultado del choque aleatorio de electrones

en un medio gaseoso con temperatura altaIonización por impacto o emisión de campo.

Se produce al acelerar un electrón mediante la acción de un campo eléctrico en un medio gaseoso.

El proceso de formación del plasma se debe a la ionización del gas, donde se desprenden electrones de los átomos, esto provoca la descomposición de los átomos eléctricamente neutros en iones positivos y electrones.

La ionización se puede formar de varias maneras, siendo las mas importantes en este estudio:

Extinción del arco eléctrico.

Desionizando el medio donde este se produce.La des-ionización es el proceso de restaurar un gas ionizado, compuesto de iones y electrones a su estado natural neutro.

Aumentando la resistencia del arco.Esto se logra aumentando la distancia de separación de los contactos o el camino recorrido por el arco.

Consecuencias que ocasiona una descarga eléctrica.El arco eléctrico libera una gran cantidad de energía, la mayor parte en forma de calor, esta energía puede fundir los contactos de los interruptores.Cuando se establece un arco en un medio liquido, este se vaporiza debido a la alta temperatura, desarrollada por la descarga eléctrica, aumentando así la presión en las cámaras de extinción, según lo describe la ecuación de estado de los gases.

P1xT2=P2xT1

Reducción de las consecuencias ocasionadas por los arcos eléctricos.

Para reducir la temperatura del material metálico de los contactos se debe contar con un medio de enfriamiento.Para disminuir el aumento de presión en un tanque, se deben dotar esas cámaras de interrupción con medios aislantes que tengan alta rigidez dieléctrica con alto grado de regeneración. El voltaje de ruptura, en el caso de los gases, se puede obtener de la ley de Paschen V=a*p*d/(Ln(p*d)+b).

Interrupción del arco en corriente alterna.Para lograr una buena interrupción es necesario impedir el re-encendido del arco después de un valor de corriente cero. Esto, se logra con la desionización del entrehierro formado entre los contactos del interruptor.En realidad no es verdaderamente cierto el hecho que el arco se interrumpe cuando la corriente pasa por cero debido a la acción de la regeneración dieléctrica y a que los intercambios de energía térmica pueden llegar a ser superiores a la energía interna generada por el arco produciendo la extinción del mismo antes del cruce por cero de la corriente, esto genera, por ser los sistemas de potencia de naturaleza inductiva, un aumento de tensión, que se debe a los intercambios de energía entre el inductor y las capacitancias formada entre los contactos del interruptor, la cual se disipa la resistencia del circuito, con una frecuencia que depende de la resistencia, la capacitancia y la inductancia del circuito.

Interrupción del arco en corriente alterna.Con el fin de disminuir estas tensiones se conectan el paralelo a los contactos capacitores.Oscilograma respectivo al desconectar el interruptor en paralelo con el capacitor.

Comportamiento de la tensión de recuperacion Uz en función del tiempo y de la tensión oscilatoria Ue. (Ur tensión de red).

Interruptores de potencia.

Se clasifican de acuerdo con: El nivel de tensión de

operación.Baja tensión: menos de

1000 vAlta tensión: mas de 1000

v Características de diseño.

Tanque vivo.Tanque muerto.

Medio de extinción.De soplo magnético.De aceite.de aire comprimido.De SF6.De vacio

Dispositivos cuya función consiste es desconectar y/o restablecer la conducción de corriente en un circuito en operaciones de carga normal, condiciones de sobrecargas o cortocircuitos.

Tanque vivo. Tanque Muerto.El tanque está

sólidamente aterrado y aloja las cámaras

interruptivas y el medio aislante.

las cámaras interruptivas se encuentran soportadas en columnas aislantes y éstas quedan aislando la parte

energizada del potencial a tierra.

Según el método de extinción.

Generan una fuerza eléctrica en el arco debido a la interacción del campo magnético, formado por las bobinas de campo, con las cargas en movimiento del arco, alargando así el camino del mismo.

De soplo magnético.

De aceite.

Cuando se forma el arco, las superficies de contacto del aceite se vaporizan, se forman gases, entre ellos el hidrogeno. Este gas forma una burbuja que envuelve completamente el arco, el aumento de temperatura genera un aumento presión y se genera una turbulencia en el aceite, la cual termina por apagar el arco.

De gran volumen de aceite.Utilizan el aceite para efectos de extinción de arco y como medio aislante, de allí que posean una gran cantidad de aceite. Si no se tuviese esta gran cantidad, se pudiesen formar arcos entre los electrodos y la cuba. Estos interruptores son de tanque muerto.

Para aumentar la capacidad de interrupción de estos interruptores se opto por incluir una cámara de extinción, en esta

se aprovecha la energía térmica del arco para aumentar la presión en dicha cámara para luego liberarla sobre el recorrido

del arco y así aumentar la regeneración del espacio interelectrodico.

De pequeño volumen de aceite.Este tipo de interruptores usan el aceite sólo como medio interruptivo y para fines de aislamiento posee estructuras solidas que separan el potencia de red de tierra. Esta configuración hacen de este tipo, interruptores de tanque vivo.

De aire comprimido.

En este tipo de interruptor, el contacto móvil le bloquea al aire a alta presión la salida de la cámara, hasta que se separa del orificio. El aire adicional a presión, inyectado en la cámara de ruptura a través de una válvula de soplado, trata de salir de la cámara de extinción soplando así directamente el arco eléctrico enfriándolo y estableciendo una fuerte rigidez dielectrica hasta su extinción.

De Sf6.Estos interruptores utilizan el gas Hexafluoruro de azufre como medio de extinción del arco.La molécula del SF6 se forma por la unión de una molécula de azufre (S) con seis moléculas de fluor (F) a través de enlaces covalentes (unión de los átomos compartiendo los electrones de la ultima capa).

De SF6 con sistema de soplo.Poseen un sistema cilindro pistón, el cual aprovecha la energía mecánica proporcionada por el mecanismo de apertura de los contactos para comprimir el gas en el cilindro, el cual es liberado luego que los contactos dejan la garganta de la tobera.

De SF6 auto soplado.Operan con el mismo principio que los interruptores en aceite con cámara de extinción, en el sentido de que aprovechan la energía térmica liberada por el arco para elevar la presión dentro de una cámara interruptiva por aumento de la temperatura.

De vacio.Estos interruptores toman ventaja del vacío debido a sus excepcionales características dieléctricas, en lo que respecta a que en el vacio no se puede formar un plasma por la ausencia de átomos que se requieren para la ionización.

Sección transversal de una cámara de interrupción en vacio.

Comparaciones, ventajas y desventajas entre tipos de interruptores, según el medio de extinción.

Ventajas de los Interruptores de Soplo de magnético.

No implican peligro de incendio. Su capacidad de interrupción es mediana. Se tiene muy fácil acceso a sus contactos.

Desventajas de los Interruptores de Soplo magnético.

Requiere de la instalación de un sistema de aire comprimido para extinguir arcos de corrientes pequeñas.

Ventajas de los Interruptores de aire comprimido. No implican peligro de incendio. Su operación es muy rápida. Son adecuados para el cierre rápido Su capacidad de interrupción es muy alta. Se tiene muy fácil acceso a sus contactos.

Desventajas de los Interruptores de aire comprimido.

Requiere de la instalación de un sistema de aire comprimido.

Su construcción es mucho más complicada. En caso de que el aire se humedezca lo suficiente puede

reencender el arco eléctrico y puede llegar a explotar el interruptor.

Ventajas de los interruptores en aceite. Funcionamiento sencillo, simplificándose la

operación. Fácil mantenimiento.

Desventajas de los interruptores en Aceite Presencia de carbonización (con lo cual disminuye

su rigidez dieléctrica). La acumulación de sustancias producto de la

carbonización amerita la adopción de medidas preventivas como limpieza periódica de la cuba, regeneración o renovación del aceite, etc.

En pequeño volumen de aceite se presenta una carbonización muy rápida por la interrupción de fallas y, por lo tanto, se requiere de un mantenimiento más frecuente.

Ventajas de los interruptores en Sf6. Interrupción más suave, que produce

sobretensiones bajas. Requiere mecanismos de baja energía. Partes móviles más ligeras. Mayor confiabilidad Menor costo de los interruptores.

Ventajas de los interruptores en vacio. Son seguros y confiables. Son compactos. Tienen tasa baja de desgaste de contactos. Requieren poco mantenimiento. Alta rigidez dieléctrica. Elevada tasa de recuperación dieléctrica.

Desventajas de los interruptores en vacio. Requieren una investigación muy exigente. Uso de materiales especiales para los contactos

para generar el vapor necesario para sostener el arco.

Hermetismo absoluto en la cámara de interrupción.

La Gráfica siguiente muestra la rigidez dieléctrica de varios materiales aislantes.

Gracias por su atencion.

Las curvas de Paschen describen el voltaje de rompimiento del medio gaseoso como función del parámetro variable pd, el producto de la presión por la distancia entre los electrodos.

b.