Condición bajo corriente de cortocircuito para equipos de conmutación
Explicación detallada del flujo de corriente y el fenómeno de pre-impacto en los equipos de conmutación
En los equipos de conmutación, especialmente en los interruptores (CB) y los interruptores de carga (LBS), el flujo de corriente se refiere al proceso por el cual se inicia un arco eléctrico cuando los contactos comienzan a cerrarse. Este proceso no comienza exactamente cuando los contactos se tocan físicamente, sino que puede ocurrir varios milisegundos antes debido a un fenómeno conocido como pre-impacto. A continuación, se presenta una explicación detallada de este fenómeno y sus implicaciones.
1. Pre-impacto: Inicio del arco antes del contacto físico
• Ruptura dieléctrica: A medida que los contactos se acercan durante la operación de cierre, el medio aislante (como el aire, SF6 o el vacío) entre ellos sufre una ruptura dieléctrica. Esto ocurre porque el campo eléctrico en la brecha entre los contactos aumenta a medida que se acercan. Cuando la intensidad del campo supera la resistencia dieléctrica del medio aislante, la brecha se rompe y se inicia un arco de conmutación.
• Acumulación del campo eléctrico: El campo eléctrico entre los contactos se acumula a medida que se mueven hacia el otro. Este campo es proporcional al voltaje entre los contactos e inversamente proporcional a la distancia entre ellos. Cuando el campo se vuelve suficientemente fuerte, causa la ionización de las moléculas de gas en la brecha, lo que lleva a la formación de un camino conductor para el flujo de corriente.
• Inicio del arco: El arco se inicia antes de que los contactos realmente se toquen, generalmente varios milisegundos antes. Esta iniciación temprana del arco se llama pre-impacto. Durante el pre-impacto, el arco se forma en la pequeña brecha entre los contactos, y la corriente comienza a fluir a través del arco en lugar de esperar a que los contactos hagan contacto físico.
2. Implicaciones del pre-impacto
• Fusión excesiva de las superficies de contacto: Si la energía involucrada en el pre-impacto es grande, puede causar fusión excesiva de las superficies de contacto. Esto es particularmente problemático en condiciones de cortocircuito, donde la corriente puede ser extremadamente alta. El metal fundido en las superficies de contacto puede llevar a la soldadura de los contactos, donde las dos superficies se fusionan.
• Soldadura de contactos: Los contactos soldados pueden impedir que el dispositivo de conmutación responda adecuadamente a la siguiente orden de apertura. Si el mecanismo de operación del equipo de conmutación no proporciona suficiente fuerza para romper los puntos soldados, el dispositivo puede fallar en abrir correctamente, lo que conduce a posibles peligros de seguridad y daños en el equipo.
• Características de la corriente de cortocircuito: Las corrientes de cortocircuito a menudo contienen un componente DC, que puede hacer que el valor pico de la corriente sea mucho mayor que el de una corriente de cortocircuito puramente AC. Este aumento en el pico de corriente puede agravar los efectos del pre-impacto, lo que lleva a un daño más severo de los contactos y a la soldadura.
• Dependencia del voltaje del arco: El voltaje a través del arco (voltaje del arco) depende en gran medida del medio de interrupción utilizado en el equipo de conmutación. Incluso con longitudes de arco muy cortas, pueden haber caídas de voltaje significativas cerca de los electrodos. Esto se debe a que la resistencia del arco no es uniforme a lo largo de su longitud, y las regiones cerca de los electrodos tienden a tener una resistencia mayor debido a la concentración de calor y partículas ionizadas.
3. Cierre bajo condiciones de cortocircuito
• Interruptores (CB): En los interruptores, la operación de cierre bajo condiciones de cortocircuito es particularmente desafiante. Los niveles de corriente altos y la presencia de un componente DC pueden llevar a arcos intensos y daños en los contactos. Los interruptores modernos están diseñados con materiales avanzados y mecanismos de enfriamiento para mitigar estos efectos, pero el pre-impacto sigue siendo una preocupación.
• Interruptores de carga (LBS): Los interruptores de carga también son susceptibles al pre-impacto durante la operación de cierre, especialmente en aplicaciones de alta corriente. Sin embargo, los dispositivos LBS se utilizan típicamente en aplicaciones de menor voltaje y corriente en comparación con los interruptores, por lo que el riesgo de daño severo en los contactos es generalmente menor.
4. Etapas de la operación de cierre en los equipos de conmutación
La operación de cierre de los equipos de conmutación se puede dividir en varias etapas, como se muestra en la figura:
• Etapa 1: Acercamiento inicial de los contactos: Los contactos comienzan a moverse hacia el otro, y el campo eléctrico entre ellos comienza a acumularse. En esta etapa, no fluye corriente, pero el potencial de pre-impacto está aumentando.
• Etapa 2: Formación del arco de pre-impacto: A medida que los contactos se acercan, el campo eléctrico supera la resistencia dieléctrica del medio aislante, causando una ruptura dieléctrica. Se forma un arco de pre-impacto, y la corriente comienza a fluir a través del arco antes de que los contactos se toquen.
• Etapa 3: Contacto físico y transferencia del arco: Los contactos finalmente hacen contacto físico, y el arco se transfiere desde la brecha entre los contactos a las superficies de contacto. La corriente continúa fluyendo a través del circuito ahora cerrado.
• Etapa 4: Operación en estado estable: Después de que los contactos se han cerrado completamente, el sistema entra en operación en estado estable, y la corriente fluye a través de los contactos cerrados sin ningún arco.
5. Estrategias de mitigación
Para minimizar los efectos del pre-impacto y la soldadura de los contactos, se pueden emplear varias estrategias de diseño y operación:
• Uso de medios aislantes de alta resistencia dieléctrica: Utilizar medios aislantes con alta resistencia dieléctrica, como el gas SF6 o el vacío, puede reducir la probabilidad de pre-impacto al requerir un campo eléctrico más alto para iniciar la ruptura.
• Materiales de contacto avanzados: Utilizar materiales de contacto con puntos de fusión altos y buena conductividad térmica puede ayudar a reducir el daño de los contactos durante el pre-impacto. Materiales como aleaciones de cobre-tungsteno se utilizan comúnmente en equipos de conmutación de alta tensión.
• Mecanismos de enfriamiento: Incorporar mecanismos de enfriamiento, como sistemas de soplado o flujo forzado de gas, puede ayudar a disipar el calor del arco y reducir la temperatura de las superficies de contacto, minimizando el riesgo de soldadura.
• Mejoras en el diseño mecánico: Asegurarse de que el mecanismo de operación proporcione suficiente fuerza para romper cualquier punto soldado durante la operación de apertura puede prevenir que el equipo de conmutación falle al no abrir correctamente.
• Sistemas de protección: Implementar sistemas de protección, como relés de sobrecorriente y mecanismos de detección de fallas, puede ayudar a detectar y responder a las condiciones de cortocircuito más rápidamente, reduciendo la duración e intensidad del arco.
Conclusión
El fenómeno de pre-impacto, donde el arco se inicia antes de que los contactos se toquen físicamente, es un aspecto crítico de la operación de cierre en los equipos de conmutación. Puede llevar a un daño excesivo en los contactos, soldadura y potencial fallo del dispositivo de conmutación. Comprender los factores que contribuyen al pre-impacto, como la acumulación del campo eléctrico y las características del medio aislante, es esencial para el diseño y la operación de equipos de conmutación confiables. Al emplear estrategias de mitigación apropiadas, como el uso de medios aislantes de alta resistencia dieléctrica, materiales de contacto avanzados y mecanismos de enfriamiento, se pueden minimizar los efectos del pre-impacto, asegurando una operación segura y confiable de los equipos de conmutación tanto en interruptores como en interruptores de carga.
