diseño de tableros

Manual Técnico para el Tablerista

Mercado Eléctrico Dahujori 2006 por Roberto García

Carlos Calvo 1860 – Ciudad de Buenos Aires Tel: 4304-1000 / Fax: 4304-1111 www.dahujori.com

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:: Diseño y proyecto de tableros eléctricos .

Rev.1.0 (Sept.2006) 1.0

Determinación de la corriente de proyecto Ib [A]

[VA]

DPMS = Un. Ib 1.1 Circuitos monofásicos:

Ib =

DPMS 230

[A]

Ib =

DPMS 3.400

[A]

1.2 Circuitos trifásicos:

Nota 1: Si se consideran motores como consumos se deberá calcular el 125 % de la potencia del motor de mayor consumo más la potencia del resto de los motores.

2.0

Elección del conductor a partir de su corriente máxima admisible (conductores o barras), Iz [A]. 2.1 Características de conductores o barras suministradas por los fabricantes. 2.2 Tablas indicadas en el REIEI (AEA 90364).

3.0

Elección de la corriente asignada ( datos aportados por los fabricantes) de los dispositivos de protección In [A]. Nota 1: Si se utilizan dispositivos de protección con corriente regulable (Ir) se deberá tener en cuenta el alcance máximo de la regulación.

4.0

Comprobar:

Ib ≤ In ≤ Iz

5.0

[A]

Verificar la actuación por sobrecarga de la protección ( I 2 )

I 2 ≤ 1,45 Iz Nota 1: Si no verifica modificar la sección

[A]

IZ .

Nota 2: La sección elegida y definida se denominará

S1 .

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6.0 Determinar la corriente de cortocircuito máxima en bornes de entrada del primer seccionamiento I" K . 6.1 Dato que debería ser aportado por la empresa distribuidora de energía. 6.2 Por cálculo y tablas sugeridas por la norma AEA 90909. 6.3 Conociendo las características del trafo., la C.C. del trafo. ( I " K ≅ 25 I n ), la longitud de la línea, y el tipo de sección y el conductor.

SrT [KVA]

I"k [A]

100 200 315 400 500 630 800 1000 1250

3,568 7,074 11,028 13,899 17,229 21,458 21,768 26,838 27,876

6.4 Las tablas indicativas se describen en el REIEI AEA 90364. 6.5 Por medio de instrumentos específicos. Nota 1: Regla del poder de corte (PdCcc). La capacidad del dispositivo de protección (PdCcc), será por lo menos igual a la máxima intensidad de corriente de cortocircuito presunta ( I " k ) en el punto donde el dispositivo será instalado.

PdCcc ≥ I " k Nota 2: La energía que el dispositivo de protección deja pasar no debe exceder a la que puede soportar sin daño el dispositivo ubicado lado carga y los conductores protegidos por estos conductores.

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Nota 3: Regla del tiempo de corte:

t ≥K

S I "k

duración del CC: 0.1 ≤ t ≤ 5s

S≥

I"k t K

Nota 4: Dispositivos según IEC 60947, y en los casos de retardo a la apertura, con tiempo de duración del c.c. desde 0.1s y mayores hasta 5s.

7.0 Verificación de la máxima exigencia térmica S 2 . 7.1

K 2 S 2 ≥ I 2t

7.2

S≥

I"K t K Si S 2 > S1 entonces S = S 2

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2

2

Nota 1: I t es la máxima energía específica pasante en A S definida por la norma IEC 60898, indicada con 1, 2, o 3 dentro de un cuadrado en el frente del cuerpo de la protección, la norma IEC 60947 lo indica por medio de curvas. El fabricante garantiza y puede no indicar el n° 1, pero de igual modo rigen sus características. Nota 2: Duración del cortocircuito t ≤ 0,1S . Nota 3: Según IEC 60898 la clase 1, 2 o 3 se indica en tablas (AEA 90364) en dispositivos de protección ≤ 16 A o 16 A ≤ I n ≤ 32 A .

:: Para pequeños interruptores de hasta 16 A Poder de corte asignado [A] 3000 4500 6000 10000

Clase 1 I².t max. [A²s] Tipos B y C Sin Límite especificado

Clases de limitación de energía Clase 2 I².t max. [A²s] Tipo B Tipo C 31000 37000 60000 75000 100000 120000 240000 290000

Clase 3

I².t max. [A²s] Tipo B Tipo C 15000 18000 25000 30000 35000 42000 70000 84000

:: Para pequeños interruptores automáticos de 16 A ≤ In ≤ 32 A Poder de corte asignado [A] 3000 4500 6000 10000

Clase 1 I².t max. [A²s] Tipos B y C Sin Límite especificado

Clases de limitación de energía Clase 2 I².t max. [A²s] Tipo B Tipo C 40000 50000 80000 100000 130000 160000 310000 370000

Clase 3

I².t max. [A²s] Tipo B Tipo C 18000 22000 32000 39000 45000 55000 90000 110000

Nota 4: La protección de conductores queda garantizada utilizando dispositivos limitadores o con tiempos menores a 0.1s.

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8.0 Verificación de la actuación de la protección por corriente mínima de c.c., determinando la posible sección del conductor S 3 . 8.1 Tablas de distancias a tableros seccionales. 8.2 Tablas de distancias a circuitos terminales. Nota 1: Según tablas orientativas AEA 90364. Condición: Si S 3 > S entonces S = S 3

9.0 Verificación de la caída de tensión en el extremo del circuito:

∆ u = k . I b. L.( R. cos ϕ + .senϕ ) [V ]

K= 2 para sistemas monofásicos. K= 3 para sistemas trifásicos. Nota 1: Valores tipos para cos ϕ y sen Cargas normales:

ϕ:

cos ϕ = 0.85; senϕ = 0.53

Arranque de motores:

cos ϕ = 0.30 senϕ = 0.95

Para conductores unipolares en cañerías según IRAM NM247-3 o 62267: para líneas monofásicas.

cos ϕ = 0.8 senϕ = 0.6 ,

Para conductores norma IRAM 2178, 62266, y 62267 también se puede utilizar la fórmula:

∆ u = GDC

I .L S

[m]

Nota 2: GDC se extrae de tablas (AEA 90364), según sea sistema normal y de arranque de motores.

Gradiente de caída (GDC) Carga Común Cos Cobre Aluminio Monofásico 0,04 0,063 Trifásico 0,035 0,055 Tipo de sistema

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Tipo de sistema

Gradiente de caída (GDC) Arranque de motores cos Cobre Aluminio

Sección de los conductores de 1,5 a 25 mm²

0,016

0,025

de 35 a 70 mm²

0,0205

0,029

de 1,5 a 25 mm²

0,0135

0,0215

de 35 a 70 mm²

0,175

0,0255

Monofásico

Trifásico

10.0

Cálculo de líneas de circuitos monofásicos y trifásicos con porcentaje elevado de armónicas, en función de la corriente de línea o de neutro, según corresponda. 10.1

Comprobación de los porcentajes de las armónicas de orden 3°, 5°, 7° y 9° en corriente, por mediciones o por el uso de tablas (por ej . 771-H-XIII y, 771.16.XIII del AEA 90364), y aplicar los factores de corrección correspondientes. Factor de corrección (por reducción de la intensidad de corriente admisible) en los conductores de línea y de neutro. (FRS) Factor de reducción

Contenido de 3º armónica en la corriente de línea (%)

Selección basada en la corriente de línea

Selección basada en la corriente de neutro

1.00 0.86 0.86 1.00

If = If 3 =

If FRS

P (W ) 3.U . cos ϕ (circuito equilibrado)

Nota 1: If 3 es la corriente nominal de línea calculada.

If = In = If .(% hf ).3

P (W ) 3.U . cos ϕ (circuito desequilibrado)

In3 =

In FRS

Nota 2: (%hf) porcentaje de armónicas en cargas monofásicas.

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11.0

Dimensionamiento térmico de los tableros. (Cumplimiento IEC 60670-24, IEC 62208) Potencia disipada por polo a corriente nominal Corriente asignada [A]

Potencia disipada [W]

I n≤10

3

10 ≤ I n ≤ 16

3.5

16 ≤ I n ≤ 25

4.5

25 ≤ I n ≤ 32

6

32 ≤ I n ≤ 40

7.5

40 ≤ I n ≤ 50

9

50 ≤ I n ≤ 63

13

63 ≤ I n ≤ 100

15

100 ≤ I n ≤ 125

20

Referencias de cálculo:

I ne : Corriente asignada de entrada “Corriente asignada del dispositivo de maniobra y protección ubicado en la entrada o cabecera del tablero o la suma aritmética de las corrientes asignadas de todos los dispositivos de maniobra y protección ubicados en la entrada del tablero que son susceptibles de ser utilizados al mismo tiempo.”

I nu : Corriente asignada de salida “Suma aritmética de las corrientes asignadas de todos los dispositivos de maniobra y protección de salida del tablero que son susceptibles de ser utilizados al mismo tiempo.”

I nq : Corriente asignada del tablero “Corriente asignada a ser calculada como:

I nq = I ne x K e

K e : Factor de utilización “Relación entre la corriente que realmente circula por alguno de los dispositivos de protección de entrada o cabecera del tablero y la corriente asignada de dicho dispositivo de cabecera. El factor de utilización se lo toma por convención igual a 0.85”

K : Factor de simultaneidad

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( ) y la corriente asignada de

“Relación calculada por el instalador entre la corriente asignada del tablero I nq

salida (I nu ) . Si en la cabecera existe un interruptor diferencial o un interruptor-seccionador en lugar de un interruptor automático termomagnético la corriente asignada del tablero se considera igual a la corriente asignada de salida (I nu ) ” Nota 1: Si no se disponen los valores reales de corriente, se puede emplear convencionalmente el factor de simultaneidad K indicados en la siguiente tabla:

N° de circuitos principales

Factor de simultaneidad asignado (K)

2y3

0.8

4y5

0.7

6 ≥ N° ≤ 9

0.6

> 10

0.5

La potencia total disipada dentro del tablero se calcula con la siguiente expresión:

Ptot = Pdp + 0.2 Pdp + Pau donde:

Ptot : es la potencia total disipada en el tablero en watts. Pdp : es la potencia disipada por los dispositivos de protección, en watts, tomando en cuenta el factor de utilización K e y el factor de utilización K .

0.2 Pdp : es la potencia total disipada por las conexiones, los tomacorrientes, los reles,los interruptores diferenciales, los interruptores-seccionadores, etc.

Pau : es la potencia total disipada por los otros dispositivos y aparatos eléctricos instalados en el tablero y no incluidos en Pdp y en 0.2 Pdp tales como las lámparas de señalización (ojos de buey), los transformadores para campanillas, etc.

Verificación: Ptot ≤ Pde

“El valor de la potencia total disipada en watts en el tablero (Ptot ) debe ser menor o igual a la potencia máxima disipable por la envoltura o gabinete (Pde ) . Donde (Pde ) es la potencia máxima disipable en watts en uso normal declarada por el fabricante.” Nota 2: Se deberá tener en cuenta en el cálculo los distintos niveles de circuitos, que se desprenden de un diagrama unificar.

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:: Anexo: Tablas de consulta .

> Condiciones ambientales Ítem

UTILIZACIÓN

CÓDIGO

DESCRIPCIÓN

1

Temperatura ambiente

AA4

-5 a + 40 °C (normal)

2

Humedad atmosférica

AB4

5% a 95% (normal)

3

Altitud

AC1

≤ a 2000 m

4

Presencia de agua

AD1

Despreciable

5

Presencia de cuerpos sólidos extraños

AE1

Despreciable

6

Presencias de sustancias corrosivas o contaminantes

AF1

Normal

7

Impacto

AG1

Baja severidad

8

Vibración

AH1

Baja severidad

9

Presencia de flora o moho

AK1

Sin riesgo (normal)

10

Presencia de fauna

AL1

Sin riesgo (normal)

11

Influencia electromagnética, electrostática o ionizante

AM1

Despreciable

12

Radiación solar

AN1

Despreciable

13

Efectos sísmicos

AP1

Despreciable

14

Descargas atmosféricas

AQ2

Exposición indirecta

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> Condiciones de utilización Ítem

1

2

3

4

5

6

7

UTILIZACIÓN

Capacidad de las personas

Resistencia eléctrica del cuerpo humano Contacto con personas al potencial de tierra

Condiciones de evacuación ante un siniestro

Naturaleza de los materiales procesados o almacenados

Materiales de construcción

Proyectos de edificios

CÓDIGO

DESCRIPCIÓN

BA1

Normal u ordinaria

BA2

Niños

BA3

Personas con capacidad diferente

BA4

Instruidos en seguridad eléctrica

BA5

Calificados en seguridad eléctrica

BB1

Normal

BC2

Bajo

BC3

Frecuente

BD1

Baja densidad ocupacional y condiciones fáciles de evacuación

BD2

Baja densidad ocupacional y condiciones difíciles de evacuación

BD3

Alta densidad ocupacional y condiciones fáciles de evacuación

BD4

Alta densidad ocupacional y condiciones difíciles de evacuación

BE1

Riesgos insignificantes (normal)

BE2

Riesgo de incendio

BE3

Riesgo de explosión

BE4

Riesgo de contaminación

CA1

No combustibles (normal)

CA2

Combustibles

CB1

Riesgo despreciable

CB2

Riesgo de propagación de incendio

CB3

Riesgo de movimiento

CB4

Estructuras flexibles o inestables

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> Tipos de cortocircuitos Consumo de Electrodomésticos Artículo

Consumo en funcionamiento (watts)

Consumo en el arranque (watts)

Cafetera

900

900

Plancha

950-1200

950-1200

Tostadora

750-1000

750-1000

Aspiradora

1000

1500

Lavaplatos

700

1400

Freidora

1300

1300

Hormo microondas de 750w

750

1500

1000-1500

1000-1500

Heladera con freezer

500

1500

Lavarropas automático

500

2200

Secarropa

575

2300

Caloventor

1500

1800

Lámpara incandescente de 40w

40

40

Tubo fluorescente de 40w

50

100

Televisor color 21’

100

150

Video casetera

25

25

Aire acondicionado 2200 frigorías

1500

2500

Bomba de agua c/motor de ¾ HP

700

1800

Agujereadora manual

300

900

Computadora

150

150

Computadora portátil

200

200

Grill eléctrico

Monitor 14”

150

Fax

60

60

Impresora chorro de tinta

15

15

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> Curvas de Contactores

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> Curvas de fusibles

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:: Anexo informativo .

> Aparatos de Maniobra MANIOBRAS EN LA RED ELECTRICA, SECCIONAMIENTO E INTERRUPCION Alfredo Rifaldi - Norberto I. Sirabonian /(Internet 2006) MANIOBRAS EN LA RED ELECTRICA En la red eléctrica es necesario ejecutar maniobras, variar su configuración, su topología. Ciertas maniobras son necesarias para simplemente conectar cargas, se debe establecer corriente en condiciones que se presumen normales, pero a veces la maniobra origina una falla. El aparato sometido a estos requerimientos debe ser capaz de soportar la condición previa a la maniobra, asegurar la aislación de la carga, luego establecer la corriente normal o cuando la falla existe, la corriente de falla. Si ocurre falla algún aparato deberá encargarse de la interrupción, ser adecuado para ello, soportando los fenómenos que suceden inmediatamente. Según sea la red se presentarán distintas condiciones que podemos analizar en detalle, pero la corriente que debe establecerse e interrumpirse puede además tener distintas características, capacitiva, inductiva, tener distintos valores, incluir una componente continua, armónicas, etc. Ciertas maniobras se ejecutan sin establecer o interrumpir corriente, se las llama maniobras de seccionamiento, para distinguirlas de las de interrupción. SECCIONAMIENTO El aparato que cumple esta función se llama seccionador, y se trata de un aparato electromecánico cuya función es estando abierto soportar la aislación entre dos partes del circuito, en cualquier condición mantener la aislación hacia masa, y estando cerrado conducir corrientes normales permanentemente, y sobrecargas y cortocircuitos por tiempos establecidos. El seccionador en principio solo puede establecer e interrumpir corrientes despreciables, o con diferencias de potencial despreciables entre sus extremos. Sus características son abierto aislación entre contactos, en cualquier posición aislacion a masa, cerrado conducción de corriente permanente, o sobrecorrientes por tiempos definidos (breves). INTERRUPCION El interruptor suma a las características antes enumeradas la capacidad de interrumpir corrientes de cualquier tipo y valor hasta las corrientes de cortocircuito máximas, y por cierto establecer estas corrientes. Lógicamente la duración de los contactos, del medio aislante, de las cámaras que contienen los fenómenos que se producen limitan la cantidad de maniobras que pueden hacerse en distintas condiciones, sin mantenimiento (se produce desgaste de los contactos, de las cámaras, del medio de interrupción).

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Cada tipo de interrupción presenta características que pueden ser distintas, y que además dependen del principio de funcionamiento del interruptor. Los aparatos que no pueden llegar a interrumpir cortocircuitos no son interruptores, se los llama interruptores de maniobra, y cuando cumplen ciertas condiciones (de aislación) seccionadores bajo carga Si comparamos las características de aislación que fijan las normas para interruptores y seccionadores, notaremos diferencias en la aislación entre contactos abiertos, en alta tensión en particular el interruptor siempre se encuentra asociado a seccionadores por lo que la función de seguridad de la aislación se ha asignado a estos últimos. Los interruptores tienen dos posiciones estables en las que pueden encontrarse, abiertos, o cerrados, y tienen una duración mecánica en cuanto a maniobras que pueden hacer, esta duración en comparación con otros aparatos parece limitada. CONTACTORES Los contactores también tienen capacidad de interrumpir corrientes, pero no de cortocircuito, desde este punto de viste parecen interruptores de maniobra. Tienen capacidad de hacer una cantidad enorme de maniobras mecánicas, en el orden del millón, mientras que los interruptores después de 1000 o diez mil maniobras requieren mantenimiento. Los contactores están concebidos para conectar y desconectar cargas, motores por ejemplo, y para realizar un gran numero de maniobras sin mantenimiento, ya que su función es maniobrar (conectar y desconectar) cargas con frecuencia. Generalmente tienen una sola posición estable (abierto), y se mantienen cerrados por la acción de una bobina excitada. Los contactores no tienen capacidad de interrumpir cortocircuito, esto se confía a otro aparato que se instala en serie, un interruptor, o un fusible, que tienen la función de proteger al contactor y la instalación en caso de cortocircuito. FUSIBLES Los fusibles solo son capaces de interrumpir corrientes elevadas, sacrificando su integridad, y luego deben ser repuestos, en general en un sistema trifásico, cuando un fusible se funde no puede garantizarse que los otros no se hayan degradado. DEFINICIONES Las normas IEC (internacionales) se han ocupado de establecer definiciones que permiten encuadrar los distintos aparatos permitiendo su utilización correcta. Interruptor es un aparato mecánico de conexión, que tiene dos posiciones de reposo, capaz de establecer, soportar, e interrumpir corrientes en condiciones normales de circuito, así como en condiciones predeterminadas establecer, soportar por un lapso definido, e interrumpir corrientes en condiciones anormales especificadas de circuito tales como las de cortocircuito. Seccionador es un aparato utilizado para abrir o cerrar un circuito con una corriente despreciable (como ser corriente capacitiva de barras, conexiones, longitudes muy cortas de cables, corriente de transformadores de tensión y divisores capacitivos) ó bien con un cambio insignificante de tensión entre sus terminales.

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Estamos utilizando dos palabras que conviene buscarlas en el diccionario, aparato y dispositivo, veamos que significan: Aparato: apresto, preparativo, conjunto de cuanto se necesita o requiere para un objeto dado. Anatomía conjunto de órganos que concurren a desempeñar una función. Reunión y combinación de medios y elementos mecánicos dispuestos para ser empleados en la ejecución de movimientos, experiencias, labores, y maniobras. Dispositivo: dicese de lo que dispone. MECANISMOS DE INTERRUPCION DE LA CORRIENTE ELECTRICA Si se intenta interrumpir una corriente eléctrica separando contactos se observa la formación de un arco eléctrico, que sigue sosteniendo la corriente, presentando simultáneamente cierta diferencia de potencial entre contactos. Las corrientes mas elevadas se presentan cuando se producen cortocircuitos, las reactancias son preponderantes, la corriente esta desfasada casi 90 grados respecto de la tensión. Si la diferencia de potencial entre contactos es pequeña, la corriente de arco (ver lamina)

Corriente de arco

se modificara muy poco respecto de la que hubiera habido de no haberse formado arco, se dice que se ha presentado un arco de baja resistencia; obsérvese el lapso mientras los contactos permanecen cerrados (1), el lapso a partir del inicio del movimiento de los contactos, hasta la anulación de la corriente (2), la corriente que finalmente se anula (4), la tensión de arco que es muy pequeña en el caso examinado por lo que la resistencia de arco es también reducida (3), la tensión inmediatamente después de la interrupción que por oscilaciones amortiguadas alcanza la tensión impuesta por la fuente (5). Si en cambio la corriente presunta (ver lamina) es muy distinta a la corriente que efectivamente se presenta, entonces la resistencia del arco es relativamente grande, por eso modifica la corriente; la separación de contactos inicia en (t0), la corriente se extingue en (toff), la tensión de arco crece a medida que pasa el tiempo desde el inicio de la separación de contactos (UB), la corriente se modifica respecto de la que se tendría con tensión de arco nula, obsérvese la corriente (i) que se interrumpe en fase con la tensión debido a que la resistencia de arco se hizo preponderante en el circuito.

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Mientras la corriente es relativamente grande, el arco no se interrumpe, una columna ionizada, plasma, conduce la corriente entre los electrodos. En corriente alterna la corriente pasa por cero y luego se invierte, en ese instante la columna puede perder conductividad, y si esto ocurre se interrumpe la corriente.

Corriente Presunta

En los instantes sucesivos se presenta cierto potencial aplicado entre los contactos, si la rigidez dieléctrica de la interrupción crece (o se mantiene superior a la tensión aplicada), esta habrá tenido éxito, si en cambio se restablece la corriente, habrá que esperar el sucesivo pasaje por cero para opinar respecto del éxito de la interrupción. En corriente alterna merced a esta situación se puede efectuar la interrupción aun con resistencias de arco bajas, en corriente continua no ocurre lo mismo, debe lograrse intercalar suficiente resistencia de arco, y una suficiente reducción de corriente para lograr interrumpir. EL ARCO ELECTRICO Los arcos estables han sido estudiados desde largo tiempo, mientras que los arcos en corriente alterna, con variaciones de la posición de los electrodos (los contactos que se separan) son mucho mas difíciles de estudiar, en rigor los interruptores que utilizan estos principios se ensayan en condiciones próximas a las reales y establecidas por normas. Si el arco en su evolución se convierte en un arco de elevada resistencia al final se tratara de interrumpir una corriente resistiva (corriente y tensión en fase), si en cambio es de baja resistencia (ver lamina) la interrupción será particularmente sensible a las condiciones de corriente y tensión que se presentan en la proximidad del cero de corriente (corriente y tensión desfasadas, hay tensión con corriente nula). Analicemos el fenómeno en dicho instante, supongamos que intentamos interrumpir una corriente resistiva, en el momento en que la corriente se anula también la tensión entre contactos es nula, a partir de ese instante crecerá en el tiempo en igual forma que la tensión de la fuente.Pensemos ahora en la interrupción de una corriente inductiva, en el momento en que la corriente pasa por cero observemos la tensión en los contactos, un instante antes era nula, si la interrupción tiene éxito, un instante después la tensión tendrá un elevado valor, que corresponde a la que impone la fuente...Hemos despreciado en nuestros razonamientos

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las capacitancias parásitas que hay entre los contactos del interruptor, en rigor la tensión pasara de cero al valor final, a través de un transitorio con importantes sobretensiones del orden de 2 veces. Hemos analizado una corriente de cortocircuito en bornes del interruptor y su interrupción, y hemos observado la tensión entre los contactos. Si el cortocircuito se establece en línea, (a alguna distancia del interruptor) la interrupción presenta dos tensiones de distintas características, del lado fuente la tensión variara en forma parecida a la indicada, partiendo del valor correspondiente a la caída de tensión en línea, mientras del lado línea se presentara un fenómeno de onda viajera, que causa en el borne del interruptor una onda diente de sierra. La tensión entre bornes crece con gran velocidad, y para que la interrupción tenga éxito, la distancia entre contactos debe soportar estas condiciones, impuestas por la línea, circuito de parámetros distribuidos. Un efecto parecido puede presentarse cuando se interrumpe un cortocircuito secundario de un transformador, desde el interruptor el transformador es visto como una capacitancia con una inductancia en paralelo, esta es una simplificación demasiado drástica, pero el fenómeno observado es con oscilaciones del lado del transformador, y una tensión del lado de alimentación con oscilaciones parecidas (aunque menores) que para el cortocircuito franco. La interrupción de la corriente de un reactor derivación, o un cortocircuito con reactor serie también son análogas. Totalmente distintas son las condiciones cuando se interrumpe una corriente capacitiva, banco de capacitores, cables en vacío, líneas aéreas en vacío. En este caso al pasar la corriente por cero, se interrumpe, de un lado queda el capacitor cargado, del otro la fuente la tensión sigue variando con la frecuencia de la red. Si la interrupción tiene éxito un cuarto de ciclo después se tendrá sobre los contactos aplicada la máxima diferencia de tensión. Si en cambio se presenta falla dieléctrica del interruptor, se establecerá una corriente con un pico muy grande, aparecerá una oscilación de gran amplitud, y el capacitor podrá quedar cargado con doble tensión, siendo la situación final con tensión aún mas alta, este fenómeno es llamado reencendido, y hace que ciertos interruptores no sean adecuados para largas líneas, cables o capacitores. También la interrupción de pequeñas corrientes inductivas puede presentar efectos de reencendido, pero no con los desastrosos efectos acumulativos antes comentados, simplemente al aumentar la distancia entre contactos la interrupción finalmente tiene éxito, pero sucesivas interrupciones y reencendidos crean trenes de ondas viajeras que pueden dañar las aislaciones. Una corriente particular puede presentarse en caso de cortocircuito en una línea que parte de un nodo próximo a una batería de capacitores, el interruptor de la línea deberá interrumpir la corriente de cortocircuito, con superpuesta la corriente de descarga de los capacitores, de frecuencia relativamente alta, quizás presentando varios pasajes por el cero en escasos milisegundos... Las normas suponen que la corriente es de amplitud constante como corresponde cuando se esta a distancia (eléctrica) relativamente grande de las maquinas generadoras. La presencia de los fenómenos transitorios y de la componente continua en proximidad de generadores, puede ser causa de que la corriente de falla no pase por cero durante cierto número de ciclos, presentándose entonces al interruptor una situación de gran dificultad.

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No olvidemos que también en casos normales, con elevada constante de tiempo de la componente continua, los dos semiciclos sucesivos son de amplitud totalmente distinta, y ofrecen distinto grado de dificultad al éxito de la interrupción. Mientras el interruptor esta cerrado el efecto joule en los contactos es la única magnitud que produce efecto apreciable, calentamiento de los contactos, en cuanto los contactos se separan puede medirse la tensión de arco, puede hablarse de potencia de arco, e integrándola en el tiempo, energía de arco. La comparación de como evoluciona esta energía, con la que el interruptor es capaz de controlar, es la que señala el posible éxito o fracaso de la interrupción, y es el factor que el proyectista estudia relacionando tensión, corriente, tiempo, energía. PRINCIPIOS CONSTRUCTIVOS DE LOS EQUIPOS DE MANIOBRA El ingenio humano ha dado pruebas significativas en la historia de los interruptores, las soluciones fueron sucediéndose con rapidez unas a otras, las nuevas soluciones presentaban nuevos problemas, y la técnica exigía soluciones completas y generales. Las técnicas de interrupción comenzaron utilizando el aire natural, e inmediatamente buscaron otros fluidos, aceite, agua, aire comprimido, SF6, las formas y el tamaño de los aparatos fue cambiando, llegándose finalmente a soluciones compactas actuales. Actualmente los interruptores de baja tensión utilizan cámaras de interrupción de ion, con varias chapas metálicas que dividen el arco aumentando la tensión de arco (resistencia), cuando las corrientes nominales son relativamente bajas de modo que los contactos son livianos y pueden ser fácilmente acelerados, se realizan interruptores con características limitadoras, que deforman notablemente la corriente de cortocircuito, impidiendo que se presente el pico máximo. Parece que tendrán futuro los interruptores en vacío, y los de estado sólido (sin contactos de interrupción móviles...). En media tensión las técnicas actualmente difundidas son el vacío, el gas SF6 en versiones auto soplante, de arco rotativo, todavía en aplicaciones especiales se utiliza el aire comprimido, y el aire a des ionizacion magnética. Los interruptores en pequeño volumen de aceite, fueron los mas difundidos en el pasado, y todavía serán utilizados por muchos años, aunque ya casi no se fabrican. En media tensión se utilizan interruptores de limitado poder de interrupción (llamados seccionadores bajo carga o interruptores de maniobra, incapaces de interrumpir el cortocircuito), la buena técnica solo ha dejado subsistir los auto neumáticos en aire y en ambiente cerrado de SF6. En alta tensión la técnica avanzo en dirección de soluciones modulares de cámaras en serie, el pequeño volumen de aceite, el aire comprimido, el SF6 tipo auto soplante, fueron las soluciones que mas éxito tuvieron, y la decadencia de cada solución técnica apareció al alcanzar sus limites naturales de aplicación. En el futuro puede preverse la utilización del vacío, multicamara. En todos los casos el interruptor en su concepción actual debe tener un comando que mecánicamente debe ser optimo, las buenas cualidades eléctricas de la cámara de interrupción deben estar acompañadas por sobresalientes características mecánicas, después de haber quedado cerrado mucho tiempo se exige siempre una buena actuación, rápida, oportuna... todavía hoy este proyecto presenta importantes desafíos. El vacío es un método de interrupción que en algunas aplicaciones trae aparejadas sobretensiones que se propagan en los circuitos solicitando en modo inconveniente algunos componentes, por lo que debe

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estudiarse atentamente su aplicación. Quizás esto sea consecuencia de ser el método de interrupción mas joven. La tensión en los interruptores multicamara debe repartirse con oportunos capacitores que regulan la solicitación en cada una, también influyen controlando la tensión de retorno que se presenta. CARACTERISTICAS FUNCIONALES DE INTERRUPTORES Las características funcionales, sirven para especificar los aparatos, definiéndolos. La especificación de un dispositivo se hace con el objetivo de obtenerlo en el mercado, o construirlo especialmente. Cuando el objetivo de la especificación es la construcción de un equipo especial, el único limite a lo que se especifica esta dado por la posibilidad constructiva, y los riesgos de que la construcción no tenga éxito. Generalmente es preferible comprar dispositivos normales, existentes, por lo que la especificación debe identificar suficientemente bien las características de interés, definiendo adecuadamente el objeto de compra. Frecuentemente el proyectista de instalaciones debe hacer esfuerzo en lograr una instalación donde puedan utilizarse los dispositivos mas abundantes del mercado, y para esto quizás haya que esforzarse en replantear el proyecto mas veces. La primera característica del interruptor es su tensión nominal: • • • •

baja tensión media tensión alta tensión altísima tensión

Un mismo interruptor de baja tensión puede ser aplicado en instalaciones de distintas tensiones nominales, por ejemplo 230 V, 400, 500, 660, 750, 1000 V (a veces no todos los valores, sino solo algunos), es así que frente a una especificación se pueden obtener soluciones muy distintas. En media tensión en cambio los aparatos pueden utilizarse en unas pocas tensiones nominales, las medias tensiones utilizadas en nuestro país 2.3 kV, 3.6, 5, 7.2, 11, 13.2, 13.8, 36 kV utilizan aparatos de tensiones nominales que dependen del país de origen del aparato (o de su licencia de fabricación) por ejemplo aparatos de origen europeo de tensión nominal 17.5 kV se utilizan para las tensiones nominales de 7.2 hasta 13.8 kV, lamentablemente entonces no se pueden aprovechar al máximo... En alta tensión los fabricantes plantean soluciones para su mercado de mas importancia, y esa adopción la ofrecen a los otros mercados, por ejemplo una solución para 145 kV se ofrece para redes de 123 kV, una solución para 170 kV se lo ofrece para 145 kV. A medida que la tensión crece aparecen soluciones modulares, cámaras múltiples en serie, es así que deben observarse soluciones de 245 kV, 362 (altísima tensión), 420, 550, 765 - 800 kV que cada fabricante ha desarrollado, notándose que cada fabricante ha tratado de minimizar la cantidad de cámaras en serie, para reducir el costo, en el transcurso de los años a medida que una solución se sustituyo por otra la tensión nominal de la cámara modular fue creciendo así en los años 70 un interruptor de hexafluoruro de 362 kV tenia tres cámaras, hoy (en el 2000) se ofrece con dos, solución que también alcanza para algún fabricante para 550 kV, es decir que la cámara es de tensión nominal 245 kV.Asociada a la tensión nominal, se presentan las características de aislacion, tensión de ensayo a frecuencia industrial, tensión de ensayo a impulso.La otra característica es la corriente nominal, en baja tensión los valores que se presentan están

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asociados a los relés de protección integrados al interruptor, cada tipo de interruptor cubre hasta cierta corriente nominal máxima, 63 A, 100, 1250, 2500, 4000, 6300 A. En media tensión los fabricantes han reducido las opciones que ofrecen, 800 A, 1250, 1600, 2500, en general solo 2 de estos valores, y es difícil encontrar aparatos de corriente nominal elevada. Los interruptores para generadores cubren necesidades por arriba de los 10000 A. En alta tensión las soluciones se orientaron a corrientes nominales 2000 o 3000 A, buscando en las soluciones de los años 70 observamos soluciones de 1250 A, y menos. El otro tema es la corriente de interrupción, en baja tensión 1 KA, 10 hasta 100 (los interruptores limitadores).En media y alta tensión esta característica es 20 KA, 40, 63. En altísima tensión las soluciones de menores corrientes (para una misma tensión) son en general con menor cantidad de cámaras. Exigencias que se presentan al interruptor Un folleto de 1970 proponía que un interruptor no puede ser juzgado solo en base al poder de interrupción normal de cortocircuito, y explicaba que pocas veces, quizás nunca en su vida, el interruptor deba interrumpir dicha corriente. Pero todos los días, para un servicio seguro y tranquilo, que no incremente el precio de adquisición (inicial), por la continuidad y calidad de servicio, para la protección de los aparatos, las maquinas, las líneas, los cables, y para la seguridad de las personas, un verdadero interruptor, cualquiera sea su poder de interrupción, aun si muy superior al que corresponde al punto donde fue instalado, debe: • • • • • • • • •

ser mecánicamente simple y de seguro funcionamiento en el tiempo. Realizar en cualquier condición de servicio ciclos de recierre rápido Interrumpir pequeñas corrientes inductivas, con sobretensiones limitadas (menores de 2.5 - 2), por ejemplo fallas en el secundario de transformadores. Interrumpir pequeñas corrientes magnetizantes de transformadores en vacío, con sobretensiones limitadas. Interrumpir líneas y cables en vacío sin reencendidos. Interrumpir con seguridad fallas en línea (kilométricas). Interrumpir fallas consecutivas Interrumpir en oposición de fase Interrumpir cortocircuitos repetidos sin requerir mantenimiento.

Se trata de una excelente síntesis, que conviene repasar frente a la necesidad de comparar entre si distintos interruptores, con el objetivo de tomar una decisión, que seguramente no puede ser orientada por el solo precio, sino debe ser antes calificada por la comparación pesada de estas prestaciones. Descripción de distintos tipos de interruptores El interruptor es un aparato esencialmente formado por contactos que se separan con importante velocidad para pasar rápidamente de condiciones de conducción a aislacion, y un mecanismo de comando con energía acumulada para lograr satisfacer las condiciones de movimiento. El ambiente en el que se separan los contactos permite una clasificación y define una cantidad de tipos de interruptores • • •

aire natural aire con cámaras de ion aire a desionizacion magnética (cámaras cerámicas, o metálicas - caída catódica)

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arco rotativo aceite, gran volumen interrupciones múltiples (en serie) aire comprimido, soplado longitudinal, transversal con resistor de apertura aceite, pequeño volumen (cámaras múltiples) hexafluoruro de dos presiones (neumático) hexafluoruro de simple presión, auto soplante hexafluoruro de arco rotativo vacío, con distintos materiales en los contactos, cámaras múltiples, resistores de maniobra hexafluoruro con aprovechamiento de la energía de arco seguramente en un futuro próximo, cámara de interrupción de estado sólido

Los comandos son de distintos tipos, pero todos se caracterizan por disponer de energía acumulada, y deben ser adecuados al tipo de interruptor, ya que entre comando y cámaras de interrupción se debe lograr la solución optima: • • • • •

comando a solenoide (combinado con resortes) comando a resortes (helicoidales, y espirales, cargados con motor eléctrico, o a mano) comando de aire comprimido, de un efecto (combinado con resortes) o de doble efecto comando de aceite a presión, fluodinamico comando de gas (hexafluoruro) a presión, y resortes.

Intentar explicar el desarrollo de estas distintas técnicas y sus variantes, y como se encadenaron y evolucionaron es dificultoso y complicado, en forma arbitraria se han seleccionado una serie de figuras encontradas en revistas que muestran características de distintos tipos de aparatos, y que cubren casi 100 años de desarrollo tecnológico alrededor de estos temas. Puede ser de interés observar como ha variado para los distintos tipos de interruptores la faja de mercado que han cubierto durante cierto periodo del siglo XX.

Faja de mercado

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Se puede resumir el comportamiento de los distintos tipos de interruptores en un único concepto, los contactos se separan, se forma el arco, y este puede ser de baja resistencia o de alta resistencia, y en relación con el, es el comportamiento de la tensión de retorno (ver figura) que aparece inmediatamente. El desarrollo de los interruptores es esencialmente experimental, el desarrollo teórico o de gabinete es complementario, de los ensayos se extrae información que sirve para juzgar fortalezas y debilidades del proyecto y que orienta hacia nuevas mejoras, pero no se puede encarar un desarrollo sin la disponibilidad de un laboratorio de pruebas que permita simular condiciones eléctricas reales de la interrupción.

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Tensión de retorno

interrupción en aire libre

Modelo primitivo de interruptor en aire libre, con cuernos de arco. Se observan los contactos que se separan, el arco se forma entre ellos, se transfiere a los cuernos y deslizando sobre estos se alarga y se enfría.

Interruptor al aire libre

Pero el arco se mueve libremente, y es necesario asegurar espacio para que la interrupción no se transforme en un arco de falla (a masa o entre fases). Para limitar el desgaste de los contactos por el arco es necesario alejarlos rápidamente, esta acción no puede ser desarrollada por el esfuerzo del operador, la energía para la operación se acumula previamente, la apertura es iniciada por un mecanismo de gatillo que libera el disparo de apertura, la energía mecánica de apertura se carga durante el cierre.

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Algunos conceptos básicos que se observan se han mantenido en el tiempo, la separación de funciones de conducción y arco (para no desgastar con el arco los contactos de conducción), el alargamiento del arco, el aprovechamiento de fuerzas electrodinamicas. •

cámaras de ion

Es necesario controlar el movimiento del arco, se lo puede contener dentro de una cámara para que no escape libremente, en el interruptor de baja tensión en aire se observa que cuando sus contactos se alejan, el arco pasa a los contactos de arco, entra en la cámara, y en ella debe apagarse, por la parte superior de la cámara deben salir solo los gases pero no el arco, obsérvese otro interruptor de baja tensión en aire que de todos modos es muy semejante. Las cámaras pueden estar hechas con chapas metálicas o material aislante, Otra figura muestra un interruptor de baja tensión de corriente nominal elevada, y de tipo extraible, el detalle de los contactos cerrados y abiertos es de interés.

Interruptor en aire

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Los contactos pueden ser planos como vistos o de cuchilla como muestra el detalle cámara de interruptor de un modelo mas moderno de interruptor en aire

Cámara del interruptor

El tamaño de los interruptores fue cubriendo desde las aplicaciones domiciliarias a las máximas exigencias industriales, obsérvese un pequeño interruptor en caja aislante, el despiece del aparato ayuda a interpretar la función de los principales componentes.

Interruptor en caja aislante

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El aprovechamiento de las fuerzas electrodinamicas y la gran velocidad de alejamiento de los contactos suficientemente livianos (poca fuerza de inercia) inicio el desarrollo del interruptor limitador que impide se alcance el pico máximo de cortocircuito, ventaja ofrecida por los buenos fusibles.

Interruptor limitador

Los conceptos de desarrollo de los interruptores limitadores, prosperaron a mayores tamaños, complementándose con interruptores en aire aptos para protección selectiva.

Corte de un interruptor de uso industrial, con relés térmico y magnético.

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Interruptor de contacto rotativo obsérvense particularmente las formas de los caminos de corriente. Corte de un interuptor

Contacto rotativo

Detalle de interruptor de elevada resistencia electrodinámica corte del aparato obsérvense los elementos componentes, la solución moderna ofrece relé electrónico alimentado por un transformador de corriente.

Esfuerzos electrodinámicos

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El progreso de los interruptores se baso en el cuidadoso estudio de los esfuerzos electrodinámicos entre contactos, lo que permitió mejorar sus formas y comportamiento.

Repulsión de los contactos

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Los interruptores limitadores aprovecharon los principios de repulsión de los contactos también basados en esfuerzos electrodinámicos. Que se complementaron con dispositivos magnéticos de repulsión de los contactos, como muestra la figura.

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contactor en aire

El contactor, véase un modelo de contactor en aire, debe poder hacer gran numero de maniobras sin mantenimiento, pero no debe interrumpir corrientes de cortocircuito, el mecanismo debe ser simple, liviano, robusto, los contactos autolimpiantes, obsérveselos inclinados para auto centrarse, el arco debe apagarse rápidamente en la cámara.

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Otros modelo muestra una solución con contactos planos, y otro propone contactos con forma mas adecuada para soplar el arco, compárese la forma con la del interruptor limitador.

Contactos planos

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Contactos con forma

• soplado magnético

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Es necesario que el arco se desplace dentro de la cámara, en el interruptor de soplado magnético, se busca este efecto con bobinas por las que circula la corriente a interrumpir, el efecto de la cámara es proporcional a la corriente, el esquema muestra varios detalles y explica el funcionamiento.

Esquema

Más natural es la propuesta con el arco que se desplaza hacia arriba como se observa en la figura.

Desplazamiento del arco

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Obsérvese el esquema de principio, los bornes, el contacto fijo y el móvil, se separan, el arco se transfiere al cuerno, se intercala una primera bobina, y a medida que el arco se desplaza se intercalan las otras, el arco es desplazado dentro de la cámara. En ella se alarga y se enfría. Otro modelo interruptor de soplado magnético las cámaras son cerámicas, se observan los cuernos de arco principales, y los cuernos intermedios, que actúan cuando el arco ya esta en la cámara. El arco y los cuernos toman una forma de solenoide, el mismo arco genera el campo magnético.

Interruptor de soplado magnético

Observemos otro modelo de cámaras de interrupción con chapas metálicas, y cuernos intermedios, aquí también se genera el solenoide, pero el arco entra en las cámaras de chapas metálicas. En estos últimos modelos el solenoide origen del campo magnético esta formado en parte por conductores, en parte por el mismo arco y no es fácilmente controlable, en cambio con electroimanes el control es mas fácil, la cámara de soplado magnético muestra el detalle de la bobina lateral, contactos y cámara de interrupción, el campo magnético es creado por un electroimán, el diseño tiende a lograr campo uniforme entre los núcleos laterales, también aparecen campos dispersos y bobinas laterales que los tienden a anular.

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Cámara de interrupción

El efecto magnético es proporcional a la corriente que se debe interrumpir, con elevadas corrientes el efecto es grande, pero el interruptor debe interrumpir también pequeñas corrientes, con estas se observa que el arco no se desplaza hacia dentro de la cámara con suficiente rapidez, aparece entonces pistón que genera un soplado de aire que obliga a que el arco se encauce en su camino. Otro modelo de cámara de soplado magnético para mejorar la distribución del campo dispone la bobina al centro de la cámara, en su movimiento el arco embiste una pequeña cámara de interrupción que se observa en el centro, se inserta la bobina, y aparece el efecto del campo que se establece. La figura esquematiza el funcionamiento del interruptor y el movimiento del arco dentro de la cámara de interrupción y las fuerzas que actúan.

Soplado magnético

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Soplado magnético

Soplado en aire

El detalle de la cámara de interrupción de placas cerámicas muestra como se alarga el arco, y como es obligado a reducir su diámetro por influencia del corte en V de las placas a medida que penetra en la cámara.

Cámara de interrupción de placas cerámicas

El detalle muestra el montaje de las placas cerámicas. Mientras se desplaza dentro de la cámara se observa el arco en distintas situaciones la columna de arco a medida que penetra en la cámara es deformada y aparece un efecto de enfriamiento.

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Placas cerámicas

Es conveniente que el campo magnético y la corriente no estén en fase, de manera que el efecto magnético se mantenga en el momento en que la corriente se extingue, presentándose el efecto sobre los iones, y ayudando a la renovación del aire, esto se consigue con una espira en cortocircuito sobre el núcleo del electroimán Los contactos del tipo cuchillas se observan en el detalle de la figura, contactos principales (que deben ofrecer poca resistencia eléctrica) y de arco, además el contacto rotante (donde la cuchilla gira y que también debe tener baja resistencia), pistón de soplado, biela aislante que transmite movimiento a la cuchilla.

Contactos tipo cuchilla

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El soplado magnético también fue aprovechado en los contactores de media tensión.

Contactores de MT

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