Monografías
Publicar | Monografías por Categorías | Directorio de Sitios | Software Educativo | Juegos Educativos | Cursos On-Line Gratis

 

Arco eléctrico parte 1 - Monografía



 
DESCARGA ESTA MONOGRAFÍA EN TU PC
Esta monografía en formato html para que puedas guardarla en tu pc e imprimirla.



Vínculo Patrocinado




Aquí te dejamos la descarga gratuita
Nota: para poder abrir archivos html solo necesitas tener instalado internet explorer u otro navegador web.




EL ARCO ELÉCTRICO



El arco eléctrico no es un invento; se le presentó ya al primer físico que intentó abrir un circuito recorrido por una corriente eléctrica.

En efecto, el circuito, siempre inductivo, dota a los electrones de suficiente energía para salvar la distancia que aparece en la zona de separación de los conductores.

Normalmente, son estos electrones “pioneros” los que ionizan el gas, sea el que sea, y la creación de plasma facilita desde el principio el paso de la corriente.

En estas condiciones podríamos imaginar que la ruptura total es muy difícil de conseguir… a no ser que, un mejor conocimiento de este fenómeno nos permita descubrir algunas propiedades que nos van a resultar irreemplazables.

Por suerte, es así: esas propiedades existen.

Condiciones de formación



El arco aparece en un medio gaseoso:

- Por perforación dieléctrica entre dos electrodos: o a partir de un valor de campo eléctrico E/d, que depende de la forma de los electrodos y de la naturaleza y densidad del gas (en la figura 1, siendo d la distancia entre los electrodos),

2148.gif

Figura 1:El arco eléctrico y la influencia del campo E/d.

- Después de un contorneo sobre un material aislante con la degeneración del gas ambiente.

- Al abrir un circuito eléctrico recorrido por una corriente; aunque el circuito sea puramente resistivo, siempre hace falta una cierta separación mínima para evitar la perforación dieléctrica del medio.

En realidad, los circuitos suelen ser inductivos, lo que aumenta el peligro de perforación y obliga por tanto a aumentar la distancia mínima de separación entre electrodos.

Propiedades físicas (Figura 2)



Al separarse los dos contactos, uno, el cátodo, emite electrones, el otro, ánodo, los recibe. Por la naturaleza energética del fenómeno de emisión de electrones, el cátodo se calentará. La base del arco se convierte en una fuente de emisión termo - iónica: el punto caliente es el principal emisor de electrones y, si el arco se estanca, pueden aparecer vapores metálicos.

Estos vapores y el gas ambiente se ionizarán debido a:

- la presencia de electrones libres,

- la creación de iones positivos que se  desplazan hacia el cátodo y mantienen su calentamiento,

- la creación de iones negativos que bombardeando el ánodo, provocan también su calentamiento.

El conjunto de toda esta agitación se produce en el seno de una columna de plasma a alta temperatura 4.000 a 20.000 ºK, según sea la corriente y su confinamiento.

21491.gif

Figura 2:El arco eléctrico: fenómeno físico (a) y tensión característica de arco Ua (b).

Propiedades eléctricas



La más notable es la aparición de una tensión de arco cuyo valor tiene:

- una parte fija, U AC >> 20 a 40 V, que aparece a partir del instante de separación de los contactos y depende de los materiales empleados,

- una parte variable, U L = 50 a 100 V/cm, cuando el arco se ha estabilizado en su contexto de presión-temperatura.

Así se obtiene un valor total:

Ua = U AC + U L

Hay que destacar que:

- el signo de Ua cambia al modificarse el sentido de la corriente de arco,

SUS CONDICIONES DE EXTINCIÓN



Se produce la extinción cuando la corriente del arco pasa a ser cero.

Aspecto térmico



Cuando la corriente de arco es o pasa a ser pequeña, inferior a 10 A por ejemplo, los intercambios de energía térmica pueden llegar a ser superiores a la energía interna generada por el arco y éste “muere de frío” (arco congelado) lo que provoca un aumento de la tensión del arco (figura 3a).

Durante este aumento de la tensión, puede aparecer una extinción brutal si las capacidades parásitas “cortocircuitan” el arco, fenómeno que se produce cuando la tensión de arco es y se mantiene en un valor superior a la tensión de carga de las capacidades repartidas (figura 3b). Este fenómeno se denomina “recortado”.

Pero no siempre sucede esto así:

- si la corriente de un arco se estabiliza contra una pared aislante, su superficie de intercambio térmico disminuye y los componentes del aislante, localmente muy calientes, pueden favorecer la conducción y mantenimiento del arco,

- si la corriente de arco es importante, la columna es muy exotérmica y sólo las evoluciones conjuntas de la tensión de arco y  de la tensión de la red permiten reducir y anular esta corriente.

2150.gif

Figura 3: Extinción del arco eléctrico por recortado

Aspecto dieléctrico



No es suficiente que el valor de la corriente de arco pase por cero en un instante para asegurar su extinción: es necesario que el medio, que está ionizado, se regenere dieléctricamente para “resistrir” a la tensión de red, que aún está presente.

Estos fenómenos de regeneración por recombinación de los iones + o - y de los electrones son, por suerte, muy rápidos. Así, en la práctica, para que la corriente de arco se mantenga nula, la tensión de red debe de ser inferior a la tensión característica de regeneración (Ud).

Si la tensión de arco alcanza y mantiene un valor superior a la tensión de red (en valor absoluto, si se trata de una tensión alterna), el fenómeno de regeneración disminuirá durante la aproximación al cero de la corriente: el número de cargas eléctricas del plasma se ajusta al mínimo estrictamente necesario y se anula al mismo tiempo que la corriente.

Pero el arco y las capacidades parásitas tienen la misma tensión hasta la extinción de la corriente del arco. Una vez que se ha anulado la corriente de arco, esta tensión retorna al valor de la tensión de la red por un fenómeno de oscilación libre entre las capacidades distribuidas y las constantes L y R del circuito (figura 4). Esta “acomodación” de la tensión se denomina Tensión Transitoria de Restablecimiento (TTR). Si estas capacidades son bajas, las oscilaciones tienen una frecuencia muy alta y están muy amortiguadas.
2151.gif

Figura 4: La tensión transitoria de restablecimiento, TTR.

Estas condiciones se dan:

- con tensión continua (figura 5a):



La tensión de arco Ua es superior a la tensión de red Ur cuando la corriente se anula y la característica de regeneración Ud se mantiene superior a Ur con TTR,

- con tensión alterna:



Cuando el valor instantáneo de la tensión de la red es todavía del mismo signo que la tensión de arco en el momento del cero de corriente (figura 5b). La condición de ruptura definitiva se dará cuando la evolución posterior de la tensión de red no supere nunca las características de regeneración tanto en valores positivos como negativos,

Cuando el valor instantáneo de la tensión de la red es de signo opuesto a la tensión de arco, pero en valor absoluto inferior (figura 5c). La extinción del arco es definitiva si la TTR no rebasa las características de regeneración.

En caso contrario, cuando la TTR corta la curva de regeneración, puede provocar la aparición de una corriente post-arco de carácter electroluminiscente. Y entonces:

- si la corriente post-arco persiste con tipo o carácter “congelado” las condiciones de extinción subsisten;

- si la corriente post-arco rebasa un valor crítico con una tensión igualmente crítica, se producirá un reencendido de la corriente de arco y deberemos esperar un nuevo “cero” de la corriente para poder extinguirlo.

2152.gif

Figura 5: El arco en condiciones de extinción:

a: con tensión continua,
b: con tensión alterna, siendo Ur del mismo signo que Ua, en el instante del cero de corriente,
c: con tensión alterna, siendo Ur de signo opuesto a Ua.

INTERRUMPIR LAS CORRIENTES ESTABLECIDAS



Para determinar las corrientes establecidas hay que tener presentes las corrientes nominales, corrientes de sobrecarga y corrientes de cortocirucito que alcanzan un valor estable cualquiera en un momento de apertura del circuito.

La apertura del circuito puede ser:

- voluntaria, ordenada por el usuario, independientemente del valor de la corriente,

- reflejada, por la acción de un dispositivo, sensible al mismo valor de la corriente, que ordena, directa o indirectamente, la apertura del circuito.

ARCO ELÉCTRICO EN JdB



Nacimiento de un arco de defecto

Las causas de aparición de un arco de defecto en una instalación pueden clasificarse en tres categorías:

- las causas evolutivas;
- las causas mecánicas;
- las sobretensiones.

Las causas evolutivas



Son consecuencia de un debilitamiento progresivo de la resistencia de aislamiento entre fases o entre fases y masa.

Este debilitamiento puede ser consecuencia de depósitos que, si se produce una condensación o un estado higrométrico excepcional,  pueden provocar la formación de un punto de resistencia superficial tal que puede abrirse una brecha en la superficie del aislante.

Según la naturaleza del aislante, este defecto inicial puede eliminarse por sí mismo o empeorarse, creando un arco de defecto.

Este fenómeno se constata a veces al volver a conectar una instalación después de varios días de paro, período en el que pueden producirse condensaciones al no estar ya la instalación a una temperatura superior a la del ambiente. Este es el caso concreto y particular de las instalaciones de cristalerías, en las que el aire ambiente transporta polvo de carbonato de sodio y en las que además los riesgos de variaciones higroscópicas son elevados. El resultado final será el mismo si la suciedad de la superficie de los aislantes se debe a salpicaduras de líquidos que contengan electrólitos.

El accidente puede pasar desapercibido y producirse en el transporte o durante los trabajos de mantenimiento de la instalación. Se notará más tarde en la explotación con condiciones higroscópicas excepcionales. Es lo mismo con condensaciones sobre materiales almacenados a la orilla del mar y mal protegidos.

La degradación progresiva del aislamiento puede igualmente deberse a un calentamiento local accidental, por ejemplo, por una mala conexión o por un aflojamiento progresivo de un borne. La elevación de la temperatura en un punto próximo a otro defectuoso puede inducir a la descomposición y la carbonización progresiva de los aislantes cercanos, lo que puede ser el origen un arco de defecto, inicialmente entre fases o entre fase y masa y después degenerar en un defecto trifásico.

Las causas mecánicas



Se deben a la intervención de un elemento conductor ajeno a la propia estructura de la instalación.
Este es el caso de intervenciones inadecuadas del personal de mantenimiento: no siempre se respetan estrictamente las normas que fijan las precauciones a tomar en caso de actuaciones en partes bajo tensión. Se observa, por ejemplo, que para no perturbar el funcionamiento general de una instalación, un electricista que tiene que realizar una verificación, abre los paneles posteriores de un cuadro, y sobre el juego de barras así accesible, se pone a trabajar pensando que tendrá suficiente cuidado. Cuando una herramienta se resbala y escapa de las manos, o cuando una lámpara de pruebas (prohibida) explota, se produce una descarga general con riesgo de quemaduras graves para el operador imprudente.

Los resultados serán los mismos si un objeto conductor “olvidado” en la parte superior del cuadro (herramienta, trozo de una barra, tuerca, arandela, cuña metálica, etc.),  llega a desplazarse poco a poco por el efecto de las vibraciones y cae entre dos barras, o entre dos bornes de un cable.

Pueden incluso presentarse incidentes debidos a la presencia insólita de un animal en el interior de un cuadro (gato, ave, rata, etc.).

Las sobretensiones



Algunas sobretensiones de valor elevado producen descargas en cuadros correctamente diseñados e instalados. Sin embargo, estos casos excepcionales se pueden producir especialmente en BT.

En las redes de BT pueden encontrarse sobretensiones que alcanzan los 8 ó 10 kV. Provienen de la transmisión, por la capacidad de los transformadores de MT/BT, de sobretensiones “normales” que aparecen en MT, por ejemplo, al cortar la corriente magnetizante de un transformador en vacío.

La instalación de limitadores de sobretensiones en los bornes de BT de un transformador es el mejor medio de protegerse contra este tipo de incidentes.


COMPORTAMIENTO DEL ARCO DE DEFECTO



El desplazamiento de un arco de defecto sobre el embarrado de un cuadro es bastante imprevisible. Sin embargo tenemos ciertas leyes generales que nos permiten explicar y prever su comportamiento.

Características del arco



Es estudiando la propia naturaleza del arco como se consigue encontrar la explicación de su comportamiento: el arco eléctrico está constituido por una columna de gas conductor (plasma) que es llevada a una alta temperatura (de 6 a 12 000 ºK) por los arcos producidos en los interruptores o en los defectos.
Su forma, que puede ser cualquiera, no tiene normalmente nada que ver con la de un arco, como haría suponer su nombre; su sección puede considerarse circular, en ausencia de agentes externos, y es el resultado del equilibrio entre la presión interna del gas caliente y la constricción magnética del paso de su propia intensidad. La transmisión de corriente queda asegurada en el arco por los electrones libres que se desplazan en sentido inverso del sentido convencional de la corriente.

Las partículas positivas ionizadas, presentes en la columna en número casi igual al de los electrones, no conducen más que una parte muy pequeña de la corriente debido a su masa, mucho mayor que la de los electrones. Estas partículas positivas existen para compensar la presencia de electrones.

El arco es pues semejante a un conductor gaseoso cuya forma se adapta instantáneamente a las fuerzas electrodinámicas que actúan sobre él; tiene una gran movilidad debido a su masa, que es muy pequeña.

La columna del arco está forzosamente unida en sus dos extremos a conductores sólidos (o líquidos), por las llamadas “raíces” del arco. Estas zonas son las catódicas y anódicas, de muy escasa longitud (l0-4 cm), asiento de los fenómenos esenciales para mantener el proceso del arco. Estas raíces del arco son unas conexiones eléctricas, extremadamente móviles, a la superficie de los conductores, a través de las que circula la corriente produciendo su fusión. El arco es un conductor eléctrico cuya resistencia es elevada y muy variable dependiendo especialmente de la intensidad que lo recorre. Es más práctico considerar la “tensión de arco” o su caída de tensión que su resistencia: la tensión de arco, cuyo valor mínimo es del orden de 15 a 30 V, y alcanza, para los arcos de defecto, valores que pueden estar entre los 100 y 300 V.

Su expresión es U a = u e + lE:

- u e es la suma de las caídas de tensión catódicas y anódicas, 20 V de media,

- l es la longitud del arco (en cm),

- E es el gradiente de potencial de la columna de arco (V/cm).

Por un arco en el aire, en reposo, naturalmente enfriado, E vale de 15 a 20 V/cm, pero puede alcanzar 50 V/cm cuando el arco está frío.

El desplazamiento del arco



La propagación de un arco de defecto sobre un juego de barras de un cuadro se realiza sobre la acción de las fuerzas electrodinámicas ejercidas sobre el arco por los conductores sobre los que se desplaza, o por cualquier otro conductor próximo con un campo importante.

El sentido del desplazamiento del arco es tal que el flujo abrazado por el bucle formado por el arco y sus conductores de transporte debe de tender hacia un máximo (figura 7).

2153.gif

Figura 7

Así por regla general, el arco se desplaza sobre las barras alejándose de la fuente, incluso si este desplazamiento le obliga a descender por las barras verticales.

El efecto térmico de chimenea que tiende hacer subir al arco es generalmente despreciable respecto a las acciones electrodinámicas proporcionales al cuadrado de la intensidad.

Velocidad de desplazamiento



El arco se desplaza a velocidades muy altas, del orden de 200 a 250 m/s para corrientes del orden de 15 a 20 KA eficaces en un juego de barras BT, separadas, en el aire, 300 mm.

Se habla de velocidad media en corriente alterna. En efecto, la inercia del arco es menor cuando la velocidad instantánea se anula en el instante que la intensidad pasa por cero (donde se apaga instantáneamente), creciendo después de nuevo para alcanzar un máximo que corresponde al valor de pico de la onda senoidal de la intensidad de corriente.
Este fenómeno se ha puesto en evidencia con fotografías tomadas a gran cadencia (200 a 300 imágenes  por segundo) en el curso de un ensayo en corriente alterna monofásica.

Así, un cambio brusco de dirección de un juego de barras rectilíneo puede hacer o que el arco se mantenga en el ángulo vivo formado por las barras o que siga la nueva dirección que se encuentra a su paso.

Para parar la propagación del arco, el proceso aparentemente más apropiado es el de hacer pasar las barras a través de una pantalla aislante. Ésta sólo cumplirá correctamente su función si constituye una verdadera pantalla moldeada alrededor de las barras conductoras. Una holgura del orden de un milímetro entre la pantalla aislante y el metal de las barras es suficiente para que el gas ionizado consiga provocar el recebado al otro lado de la pantalla.

Desperfectos propios del arco



Si el arco de defecto se propaga libremente sobre barras sin discontinuidades ni cambios bruscos de plano y sin encontrar obstáculos metálicos o aislantes, su paso no provoca prácticamente ningún deterioro. Las raíces del arco se desplazan en saltos sucesivos dejando trazas insignificantes, sólo pequeñas manchas circulares de algunos mm de diámetro.

Por el contrario, si el arco es frenado o parado en su camino, aunque sólo sea durante algunas centésimas de segundo, provoca entonces serios estragos: fusión de metal, combustión de aislantes.

Obstáculos en el recorrido del arco



Sin embargo, el comportamiento del arco frente las discontinuidades de las barras sobre las que se propaga o ante los obstáculos que encuentra es relativamente aleatorio.

Así, un cambio brusco de dirección de un juego de barras rectilíneo puede hacer o que el arco se mantenga en el ángulo vivo formado por las barras o que siga la nueva dirección que se encuentra a su paso.

Para parar la propagación del arco, el proceso aparentemente más apropiado es el de hacer pasar las barras a través de una pantalla aislante. Ésta sólo cumplirá correctamente su función si constituye una verdadera pantalla moldeada alrededor de las barras conductoras. Una holgura del orden de un milímetro entre la pantalla aislante y el metal de las barras es suficiente para que el gas ionizado consiga provocar el recebado al otro lado de la pantalla.

LOS DIVERSOS EFECTOS DEL ARCO



El efecto térmico: constituye la más importante manifestación del arco eléctrico:
la energía calorífica E A = Ua. Icc.t es proporcional:

- a la tensión de arco Ua, del orden de un centenar o más de voltios,
- a la intensidad de defecto eficaz, Icc, generalmente de varias decenas de millares de amperios en BT, menos en MT,
- a la duración del defecto t, que depende del tiempo de intervención de los relés de protección y del interruptor automático asociado.

El calor liberado funde el metal, carboniza los aislantes, calienta el aire próximo y aumenta bruscamente la presión si el entorno es reducido.

Se suele subestimar, a menudo, el enorme calor liberado por los arcos de defecto. Por ejemplo: una corriente de defecto de 10.000 A durante 1/10 [s] es suficiente para fundir la mitad de un cable de 150 mm².

El efecto de presión: resulta del calentamiento muy rápido de un volumen de aire reducido; es lo que hace comparar, por lo que se ha podido comprobar, un cortocircuito a una explosión. Si a los cuadros no se les ponen pantallas o puertas que resistan estas presiones internas, se agravan de los daños causados a las instalaciones.

El cebado de un arco se acompaña siempre de un ruido impresionante, efecto sonoro que es consecuencia de la variación brusca de la presión. En corriente alterna, este ruido será como un trueno.

El efecto luminoso de un arco es muy conocido, además de su intenso brillo; se produce en parte por las radiaciones ultravioleta, capaces de dañar la vista de una persona próxima, pero sobre todo por la ionización del entorno.

El efecto de ionización puede provocar reencendidos entre partes con tensión que, con una atmósfera normal, se considera que tienen una separación de aislamiento adecuada. Estos reencendidos tienen como consecuencia la formación de arcos secundarios, independientes del arco inicial y que se propagan sobre otros elementos. Esto explica la aparición de los cebados múltiples que se aprecian en el cuadro después del fogonazo y que hacen que sea muy difícil el buscar el origen exacto del defecto.

REDUCIR LA POSIBILIDAD DE APARICIÓN DE UN ARCO



La disposición de los elementos debe de poder hacer frente a los riesgos correspondientes, que son muy naturales:

- los riesgos 1:

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.

-    los riesgos 2:

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.

-  los riesgos 3:

Se deben a la intervención de personas.

Los riesgos 1 pueden eliminarse con una construcción esmerada y con una verificación exhaustiva al acabar previo a la conexión en el lugar de  utilización. Hay que destacar aquí la importancia que tiene el diseño del material en si 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 2, 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 3 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.

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.

LIMITACIÓN DE LAS CONSECUENCIAS DE UN ARCO



A pesar de todas las disposiciones tomadas, todavía puede presentarse un arco de defecto, aunque sea muy poco probable; se trata entonces de reducir los estragos 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.

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.

Reducción del tiempo de defecto



Los efectos térmicos son también proporcionales a la duración de t, que se querrá reducir provocando la eliminación, lo más rápidamente posible, 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 provoquen menos estragos y estando todas más o menos controladas por una pantalla consumible. Estos dispositivos se denominan “trampas para arco”.

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.





Creative Commons License
Estos contenidos son Copyleft bajo una Licencia de Creative Commons.
Pueden ser distribuidos o reproducidos, mencionando su autor.
Siempre que no sea para un uso económico o comercial.
No se pueden alterar o transformar, para generar unos nuevos.

 
TodoMonografías.com © 2006 - Términos y Condiciones - Esta obra está bajo una licencia de Creative Commons. Creative Commons License