Condición baixo corrente de curto circuito para equipos de manobra

Explicación Detallada do Flujo da Corrente de Estabelecemento e o Fenómeno de Pre-impacto nos Interruptores
Nos interruptores, especialmente en interruptores automáticos (CB) e interruptores de carga (LBS), o flujo da corrente de estabelecemento refírese ao proceso polo que se inicia un arco eléctrico cando os contactos comezan a pechar. Este proceso non comeza exactamente cando os contactos entran en contacto físico, senón que pode ocorrer varios milisegundos antes debido a un fenómeno coñecido como pre-impacto. A continuación, ofrécese unha explicación detallada deste fenómeno e as súas implicacións.
1. Pre-impacto: Inicio do Arco Antes do Contacto Físico
•    Rompimento Dieléctrico: Cando os contactos se aproximan durante a operación de pechado, o medio aislante (como o aire, SF6 ou o vacío) entre eles sufre un rompimento dieléctrico. Isto ocorre porque o campo eléctrico na brecha entre os contactos aumenta á medida que se acercan. Cando a intensidade do campo supera a resistencia dieléctrica do medio aislante, a brecha se rompe e inicia un arco de conmutación.
•    Acumulación do Campo Eléctrico: O campo eléctrico entre os contactos acumúlase á medida que se moven uns cara aos outros. Este campo é proporcional á tensión entre os contactos e inversamente proporcional á distancia entre eles. Cando o campo se volve suficientemente forte, causa a ionización das moléculas de gas na brecha, levando á formación dunha via conductora para que a corrente flua.
•    Inicio do Arco: O arco inicia antes de que os contactos realmente entren en contacto, xeralmente varios milisegundos antes. Esta iniciación prematura do arco chámase pre-impacto. Durante o pre-impacto, o arco forma na pequena brecha entre os contactos, e a corrente comeza a fluir a través do arco en vez de agardar a que os contactos establezan contacto físico.
2. Implicacións do Pre-impacto
•    Fusión Excesiva das Superficies de Contacto: Se a enerxía implicada no pre-impacto é grande, pode causar fusión excesiva das superficies de contacto. Isto é particularmente problemático en condicións de curto circuito, onde a corrente pode ser extremadamente alta. O metal fundido nas superficies de contacto pode levar a soldadura dos contactos, onde as dúas superficies fusionan.
•    Soldadura de Contactos: Os contactos soldados poden impedir que o dispositivo de conmutación responda adecuadamente ó seguinte comando de apertura. Se o mecanismo de funcionamento do interruptor non proporciona forza suficiente para romper os puntos soldados, o dispositivo pode fallar ao abrir correctamente, levando a potenciais riscos de seguridade e danos no equipo.
•    Características da Corrente de Curto Circuito: As correntes de curto circuito adoitan conter un compoñente DC, que pode facer que o valor pico da corrente sexa moito maior que o dunha corrente de curto circuito AC pura. Este aumento do pico de corrente pode exacerbar os efectos do pre-impacto, levando a un dano de contacto máis grave e soldadura.
•    Dependencia da Tensión de Arco: A tensión a través do arco (tensión de arco) depende altamente do medio interrompente usado no interruptor. Incluso con lonxitudes de arco moi curtas, pode haber caídas de tensión significativas preto dos electrodos. Isto é porque a resistencia do arco non é uniforme ao longo da súa lonxitude, e as rexións preto dos electrodos tenden a ter maior resistencia debido á concentración de calor e partículas ionizadas.
3. Estabelecemento en Condicións de Curto Circuito
•    Interruptores Automáticos (CB): Nos interruptores automáticos, a operación de estabelecemento en condicións de curto circuito é particularmente desafiadora. Os niveis de corrente elevados e a presenza dun compoñente DC poden levar a arcos intensos e dano de contacto. Os interruptores automáticos modernos están deseñados con materiais avanzados e mecanismos de refrigeración para mitigar estes efectos, pero o pre-impacto segue sendo unha preocupación.
•    Interruptores de Carga (LBS): Os interruptores de carga tamén son susceptibles ao pre-impacto durante a operación de estabelecemento, especialmente en aplicacións de alta corrente. No entanto, os dispositivos LBS adoitan usarse en aplicativos de menor voltagem e corrente en comparación cos interruptores automáticos, polo que o risco de dano de contacto grave xeralmente é menor.
4. Etapas da Operación de Estabelecemento nos Interruptores
A operación de estabelecemento nos interruptores pode dividirse en varias etapas, como se mostra na figura:
•    Etapa 1: Aproximación Inicial dos Contactos: Os contactos comezan a moverse cara a cada outro, e o campo eléctrico entre eles comeza a acumularse. Nesta etapa, non fluye corrente, pero o potencial de pre-impacto está aumentando.
•    Etapa 2: Formación do Arco de Pre-impacto: Á medida que os contactos se acercan, o campo eléctrico supera a resistencia dieléctrica do medio aislante, causando un rompimento dieléctrico. Formase un arco de pre-impacto, e a corrente comeza a fluir a través do arco antes de que os contactos toquen.
•    Etapa 3: Contacto Físico e Transferencia do Arco: Os contactos finalmente establecen contacto físico, e o arco transférise desde a brecha entre os contactos ás superficies de contacto. A corrente continua a fluir a través do circuito agora pechado.
•    Etapa 4: Operación en Estado Estacionario: Despois de que os contactos están completamente pechados, o sistema entra en operación en estado estacionario, e a corrente fluye a través dos contactos pechados sen ningún arco.
5. Estratexias de Mitigación
Para minimizar os efectos do pre-impacto e a soldadura de contacto, poden empregarse varias estratexias de deseño e operación:
•    Uso de Medios Aislantes de Alta Resistencia Dieléctrica: O uso de medios aislantes con alta resistencia dieléctrica, como o gas SF6 ou o vacío, pode reducir a probabilidade de pre-impacto ao requerir un campo eléctrico máis alto para iniciar o rompimento.
•    Materiais de Contacto Avanzados: O uso de materiais de contacto con puntos de fusión altos e boa conductividade térmica pode axudar a reducir o dano de contacto durante o pre-impacto. Materiais como as ligas de cobre-tungsteno son comúnmente utilizados en interruptores de alta voltagem.
•    Mecanismos de Refrigeração: Incorporar mecanismos de refrigeración, como sistemas de soplado ou fluxo forzado de gas, pode axudar a dissipar o calor do arco e reducir a temperatura das superficies de contacto, minimizando o risco de soldadura.
•    Meloras no Deseño Mecánico: Asegurar que o mecanismo de funcionamento proporciona forza suficiente para romper calquera punto soldado durante a operación de apertura pode evitar que o interruptor falle ao abrir correctamente.
•    Sistemas de Protección: Implementar sistemas de protección, como relés de sobrecorrente e mecanismos de detección de fallos, pode axudar a detectar e responder a condicións de curto circuito máis rapidamente, reducindo a duración e a intensidade do arco.
Conclusión
O fenómeno de pre-impacto, onde o arco se inicia antes de que os contactos entran en contacto físico, é un aspecto crítico da operación de estabelecemento nos interruptores. Pode levar a dano excesivo de contacto, soldadura e posible fallo do dispositivo de conmutación. Comprender os factores que contribúen ao pre-impacto, como a acumulación do campo eléctrico e as características do medio aislante, é esencial para deseñar e operar interruptores confiables. Empregando estratexias de mitigación apropiadas, como o uso de medios aislantes de alta resistencia dieléctrica, materiais de contacto avanzados e mecanismos de refrigeración, os efectos do pre-impacto poden minimizarse, asegurando unha operación segura e confiable dos interruptores tanto en interruptores automáticos como en interruptores de carga.