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Arco eléctrico parte 2 - Monografía



 
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EXTINCIÓN DEL ARCO



Formación del arco:



1. Si en un sistema ocurre una falla, esta debe ser detectada por el sistema de protección (sensibilidad), el que después de un Dt = relé debe dar la orden de “disparo” al o los interruptores más adecuados para aclarar o despejar la falla (selectividad).

2. El o los interruptores cuyas bobinas de disparo han sido energizadas por los relés, después de Dt = tiempo de apertura, empiezan a separar sus contactos a través de las cuales circula IF (KA).

3. Al separare los contactos, la corriente no cae a cero, ya que la R entre los contactos aumenta y el I²R genera calor ionizado el aire y/o vaporizando el ionizando el aceite, los que actúan como un conductor debido al número de electrones libres, permitiendo que circule la corriente.

4. El arco es una columna de calor, gas ionizado. La R arco es una resistencia no lineal.

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Extinción



1. No obstante que mediante la separación de los contactos se puede llegar a cortar el arco: R sube, por lo tanto I baja, no siempre es factible aumentar el arco al valor necesario para apagarlo.

2. También es factible reducir la ionización y la sección del arco. Aumentar la fuerza dieléctrica del espacio del arco.

3. En general, para apagar un arco, primero se alarga (R sube) y luego se enfría (se pueden agregar sustancias aislantes frías: aceite mineral, aire comprimido).

4. La extinción de un arco de C.A es mucho más fácil que un arco de C.C, debido a que la corriente alterna se hace igual a cero dos veces en cada ciclo.

5. Al pasar por cero la C.A el arco se corta; en ese instante se aumenta la resistencia dieléctrica entre contactos de manera que no se reencienda el arco (lo que sucede 1,3,5,8 ciclos después de iniciado el arco) ,es decir, la resistencia dieléctrica del espacio del arco debe aumentarse más rápidamente que el voltaje a través de este mismo espacio.


ELEMENTOS PARA LA EXTINCIÓN DEL ARCO



Aire: Se emplean de preferencia para baja tensión y en algunos sistemas de tensiones medias.

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1. Al empezar a separarse los contactos A y B se establece arco en la base.

2. Calor generado, hace que la corriente de aire obligue al arco a ascender.

3. Las fuerzas electromagnéticas dentro de un lazo tienden a aumentar su área, el arco es aún más impulsado hacia arriba.

4. El arco más largo se enfría con mayor facilidad por convección, por corrientes de aire y por radiación. A mayor arco se necesita una mayor er para mantenerlo.

5. En interruptores de este tipo el arco debe extinguirse antes de que llegue a los extremos superiores de los cuernos.

6. Algunos interruptores emplean bobinas que producen un campo magnético que contribuya al movimiento del arco hacia los extremos de los cuernos (soplo magnético). Se emplean hasta nivel de distribución. (> 23 KV).

Arco seccionalizado



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Un mayor alargamiento del arco se logra si se emplean barreras de material aislante, lo que permite interrumpir corrientes de mayor magnitud.

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Las superficies de las láminas aislantes se pueden enfriar. El arco se alarga por efecto de un soplo magnético (bobinas alimentadas por la corriente del sistema, en serie con el arco).

Gran volumen aceite



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Ventajas



1. Mayor conductibilidad térmica del aceite que el aire (enfría el arco y los contactos).

2. Al formarse el arco el aceite vecino se evapora formando una burbuja que lo rodea. La descomposición del aceite produce un gas con alto contenido de hidrógeno, el que es desfavorable a la formación de iones.

3. Los gases de alta presión introducen turbulencias dentro de la columna del arco.

4. La interrupción del arco depende:

- Alargamiento
- Refrigeración
- Introducción de gas desfavorable a su formación.

Cámara aislante



Cada polo o fase tiene doble cámara interruptiva conectadas en serie.

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Cámara de contactos cerrados


Para tensiones y capacidades de ruptura o de interrupción muy grandes, cada fase de un interruptor va dentro de un tanque separado, aunque el accionamiento de los tres polos es simultáneo, por medio de un mando común.

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Cámara de contactos abiertos


Al descender el contacto móvil, el arco sale por la garganta.

La parte del arco que esta dentro de la cámara genera gas que expele el aceite por la garganta poniéndolo en íntimo contacto con el arco, enfriándolo y arrastrándolo físicamente hacia fuera a los electrones libres y los iones positivos

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En algunos diseños el soplo de aceite es transversal.

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Peligro: Incendio de aceite en caso de que el tanque se rompa por presión interna muy elevada.

Aire comprimido o aire a presión o neumático



Ventajas

:

- Peligro de incendio está reducido a un mínimo.

- Velocidad de separación de los contactos puede ser muy grande.


Funcionamiento



Al tomarse el arco un chorro de aire e alta presión lo enfría y elimina el gas ionizado de entre los contactos en separación.

El poder de ruptura aumenta casi proporcionalmente a la presión del aire inyectado, esta varía entre 8 y 13 kg/cm. La extinción del arco se efectúa en un tiempo muy corto del orden de 3 ciclos, lo cual produce sobretensiones mayores que en los casos anteriores.

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Debido a que algunos interruptores producen mayores sobretensiones, es común en los fabricantes insertar en paralelo con los contactos principales, resistencias amortiguadoras y capacitancias que producen altas impedancias y reparten las tensiones de las cámaras.

Pequeño volumen de aceite



Las cámaras de extinción tienen la propiedad de que el efecto de extinción aumenta a medida que la corriente que va a interrumpir crece. Por eso al extinguir las corrientes de baja intensidad, las tensiones generadas son pequeñas.

La potencia de apertura es limitada sólo por la presión de los gases desarrollados por el arco, presión que debe ser soportada por la resistencia mecánica de la cámara de arqueo. Para potencias interruptivas altas, el soplo de los gases sobre el arco se hace perpendicularmente al eje e los contactos, mientras que para potencias bajas, el soplo de os gases se inyecta de forma axial.

El desarrollo de los gases de extinción depende más de la corriente que la tensión, lo que origina que la potencia de cortocircuito aumente constantemente con la tensión, como se puede observar en la figura 6.33, que relaciona la potencia máxima de cortocircuito en por ciento con la tensión de restablecimiento, también en por ciento.

En dicha gráfica se puede apreciar que si la tensión de restablecimiento alcanza un valor doble, la potencia de ruptura aumenta en un 50%. Los interruptores de este tipo usan un mando que energiza por medio de resortes.

El tiempo de la extinción de arco es del orden de 6 ciclos.

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Hexafloruro de azufre (SF6)



Las cámaras de extinción operan dentro de un gas llamado hexafloruro de azufre (SF6) que tiene una capacidad dieléctrica superior a otros fluidos dieléctricos conocidos. Esto hace más compactos y más durables los interruptores desde el punto de vista de mantenimiento.Propiedades del SF6: Es un gas químicamente estable e inerte, su peso específico es de 6.14 g/l. Alcanza unas tres veces la rigidez dieléctrica del aire, a la misma presión. A la temperatura de 2000 ºK conserva todavía alta conductividad térmica, que ayuda a enfriar el plasma creado por el arco eléctrico y al pasar por cero la onda de corriente, facilita la extinción del arco. Físicamente el gas tiene características electronegativas, o sea, la propiedad de capturar electrones libres transformando los átomos en iones negativos, lo cual provoca en el gas las altas características de ruptura del arco eléctrico y por lo tanto la gran velocidad de recuperación dieléctrica entre los contactos, después de la extinción del arco.

Los interruptores con este gas pueden librar las fallas hasta en dos ciclos y para limitar las sobretensiones altas producidas por esta velocidad, los contactos vienen con resistencias limitadoras.

Las principales averías de este tipo de interruptores son las fugas de gas, que requieren aparatos especiales para detectar el punto de la fuga. En un aparato bien instalado, las pérdidas de gas deben ser inferiores al 2% anual del volumen total de gas encerrado dentro del aparato.

En caso de pérdida total de la presión del gas y debido a la alta rigidez dieléctrica del SF6, la tensión que pueden soportar los contactos cuando están abiertos es igual al doble de la tensión de fase a tierra. De cualquier forma, no es conveniente operar un interruptor de SF6 cuando ha bajado su presión por una fuga y debe ser bloqueado el circuito de control de apertura para evitar un accidente.

En los interruptores trifásicos, la apertura de los contactos es simultánea, aunque conviene que haya dispersión de un milisegundo, entre los tres polos; se entiende por dispersión a la diferencia en tiempo que existe entre el instante del cierre del primero y el instante de cierre del último polo del interruptor. El uso de la dispersión es importante, pues sirve para reducir las sobretensiones debidas a impulsos por maniobra.

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El vacío



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Los aparatos que utilizan este sistema, en teoría, abren en un ciclo debido a la pequeña inercia de sus contactos y a su pequeña distancia. Los contactos están dentro de botellas especiales en las que se ha hecho el vacío casi absoluto. El contacto fijo esta sellado con la cámara de vacío y por el otro lado entra el contacto móvil, que también esta sellado al otro extremo de la cámara, y que en lugar de deslizarse, se mueve junto con la contracción de un fuelle de un material que parece ser una aleación del tipo del latón.

Al abrir los contacto dentro de la cámara de vacío, no se produce ionización y, por tanto, no es necesario el soplado del arco ya que este se extingue prácticamente al paso por cero después del primer ciclo.

Este tipo de utiliza en instalaciones de hasta 34,5 KV dentro de tableros blindados.

Los dos inconvenientes principales son:

- Que por algún defecto o accidente, se pueda perder el vacío de la cámara y al entrar el aire y producirse el arco, pueda reventar la cámara.

- Debido a su rapidez producen grandes sobretensiones entre sus contactos y estos emiten ligeras radiaciones de rayos x.

CÁMARAS DE EXTINCIÓN DEL ARCO



Es la parte primordial de cualquier interruptor eléctrico, en donde al abrir los contactos se transforma en calor la energía que circula por el circuito de que se trate. Dichas cámaras deben soportar los esfuerzos electrodinámicos de las corrientes de cortocircuitos, así como los esfuerzos dieléctricos que aparecen al producirse la desconexión de bancos reactores, capacitores y transformadores.

El fenómeno de interrupción aparece al iniciarse la separación de los contactos, apareciendo un arco a través de un fluido, que lo transforma en plasma y que provoca esfuerzos en las cámaras debido a las altas presiones y temperaturas. Al interrumpirse la corriente, durante el paso de la onda por cero, aparece entre los contactos la llamada tensión transitoria de restablecimiento o recuperación.

Durante la interrupción del arco aparecen los siguientes fenómenos:

- Altas temperaturas debido al plasma creado por el arco.

- Altas presiones debido a la alta temperatura del plasma.

- Flujos turbulentos del gas que adquieren velocidades variables entre 100 y 1000 metros entre segundo y que producen el soplado del arco, su alargamiento y, por lo tanto su extinción.

- Masas metálicas en movimiento (contacto móvil) que se aceleran en pocos milésimos de segundo hasta adquirir velocidades del orden de 10 metros entre segundo

- Esfuerzos mecánicos debido a las corrientes de cortocircuito.

- Esfuerzos dieléctricos debidos a la tensión de restablecimiento.

Con la interacción de estos fenómenos es difícil de analizar, el diseño de una cámara de interrupción esta basada, en gran porcentaje, en tablas y pruebas de laboratorio. En la actualidad, se sigue en la búsqueda de cámaras interruptivas de menor tamaño y mayores capacidades de cortocircuito, centrándose los estudios en la investigación de la física del arco eléctrico a través de equipos de medición, captación de datos, simulación y, finalmente del empleo de computadoras.

CONCLUSIONES



La electricidad ha sido el motor del progreso en el siglo XX y la utilización de ella es una de las mayores preocupaciones que debemos tener como futuros Instaladores Eléctricos, en lo que se refiere a la selección de las Protecciones Eléctricas.

Como nos pudimos dar cuenta con este trabajo, se ha avanzado mucho en materia de seguridad, pero existe un gran riesgo difícil de eliminar y que es el control de la energía liberada por los arcos eléctricos en los aparatos y equipos eléctricos.

Cuando se realiza una desconexión de un aparato de maniobra o de protección, sea en forma manual (si se va a realizar algún trabajo o mantención en la instalación), o en forma automática (debido a la operación de la protección), no solo se abren los contactos del interruptor, sino que también debe ser apagado el arco eléctrico que se presenta cuando los contactos se abren.

Si no se tienen las precauciones necesarias, un arco eléctrico que tan solo dure 30 [ms], puede provocar grandes desperfectos en una instalación eléctrica.

Los arcos eléctricos, entre muchas causas, se generan cuando se reduce el aislamiento entre las partes conductoras a distinto potencial, lo cual puede ser debido a:

- Cargas mecánicas, térmicas o eléctricas muy elevadas.
- Sobretensiones.
- Cuerpos extraños en el interior de los equipos de maniobra.
- Errores humanos al trabajar bajo tensión.

Las consecuencias de los arcos eléctricos son daños a las personas (quemaduras, problemas auditivos y oculares, lesiones por material desprendido), destrucción total o parcial de la instalación y daños a la infraestructura (por el aumento de temperatura) y pérdidas económicas por el cese prolongado en la producción y por los costos en las reparaciones.

Autor:

Chis





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