Un artículo para comprender las etapas de separación de contactos en un interruptor de circuito a vacío

Etapas de Separación de Contactos en Interruptores de Circuito al Vacío: Inicio del Arco, Extinción del Arco y Oscilación

Etapa 1: Apertura Inicial (Fase de Inicio del Arco, 0–3 mm)
La teoría moderna confirma que la fase inicial de separación de los contactos (0–3 mm) es crucial para el rendimiento de interrupción de los interruptores de circuito al vacío. Al comienzo de la separación de los contactos, la corriente del arco siempre transita de un modo restringido a un modo difuso—cuanto más rápido sea este tránsito, mejor será el rendimiento de interrupción.

Tres medidas pueden acelerar la transición de un arco restringido a uno difuso:

• Reducir la masa de los componentes móviles: Durante el desarrollo de los interruptores de circuito al vacío, reducir la masa de la abrazadera conductora ayuda a disminuir la inercia de las partes móviles. Las pruebas comparativas muestran que este enfoque mejora la velocidad de apertura inicial en diferentes grados.

• Aumentar la fuerza del resorte de apertura, asegurando que se vuelva efectiva durante la fase inicial de apertura (0–3 mm).

• Minimizar el recorrido de compresión de los contactos (idealmente 2–3 mm), permitiendo que el resorte de apertura se involucre en el proceso de separación lo antes posible.

Los interruptores de circuito tradicionales suelen utilizar un diseño de contacto tipo conector. Bajo una corriente de cortocircuito, las fuerzas electromagnéticas hacen que los contactos en forma de dedo agarren firmemente el eje conductor, resultando en cero componente de fuerza en la dirección del movimiento. En contraste, los interruptores de circuito al vacío utilizan una interfaz de contacto plana. Cuando ocurre una corriente de cortocircuito, la fuerte fuerza electromagnética actúa como una fuerza repulsiva sobre los contactos.

Esto significa que la separación de los contactos no necesita esperar la liberación completa del resorte de compresión de los contactos—la separación ocurre casi simultáneamente con el movimiento del eje principal (con un retraso insignificante o mínimo). Por lo tanto, con un recorrido de compresión mínimo, el resorte de apertura puede actuar antes, mejorando la velocidad de apertura inicial. Dado que la fuerza motriz inicial en esta fase es la repulsión electromagnética, la masa a minimizar incluye todos los componentes móviles. Por lo tanto, diseños estructurales como mecanismos divididos o ensamblados—que a menudo implican largas y numerosas conexiones—no son adecuados para los interruptores de circuito al vacío, ya que obstaculizan la lograda de altas velocidades de apertura inicial.

Etapa 2: Extinción del Arco (3–8 mm)
Cuando los contactos se separan 3–4 mm, la transición del arco a un modo difuso generalmente está completa—este es el momento óptimo para la extinción del arco. Pruebas extensivas han confirmado que el espacio de arco ideal para la interrupción es de 3–4 mm. Si el cero de corriente ocurre en este punto, la densidad de vapor metálico decae rápidamente, y la resistencia dieléctrica a través del espacio se recupera rápidamente, resultando en una interrupción exitosa. La fuerza motriz en esta segunda etapa es el resorte de apertura.

En un sistema trifásico, si la extinción del arco ocurre en el primer cero de corriente, el tiempo de arco es aproximadamente 3 ms (asumiendo que los contactos se separan a mitad de camino entre dos ceros de corriente, por lo que el espacio es suficientemente grande). Para lograr la extinción en un espacio de 3–4 mm, la velocidad de apertura promedio durante esta fase debe ser de 0.8–1.1 m/s. Cuando se convierte a la medida común de 6 mm, la velocidad de apertura promedio equivalente es de aproximadamente 1.1–1.3 m/s, un rango ampliamente adoptado por los interruptores de circuito al vacío en todo el mundo. Sin embargo, estos datos se obtienen de pruebas de operación mecánica sin carga. Durante la interrupción de corrientes altas, la velocidad de apertura real es significativamente mayor debido a la fuerza repulsiva electromagnética adicional que contribuye al movimiento de los contactos. Como resultado, en el mismo período de tiempo, el contacto móvil puede viajar 6–8 mm.

Para minimizar el tiempo de arco, se deben aplicar medidas de amortiguación especiales en la segunda etapa para reducir rápidamente la velocidad del eje conductor. El momento de activación del amortiguador de aceite debe controlarse cuidadosamente. La primera etapa requiere una rápida separación, pero el resorte de apertura aún no ha entrado en acción. En la segunda etapa, la velocidad debe reducirse—el resorte de apertura no debe ser demasiado fuerte, o impedirá la reducción de velocidad, prolongará el tiempo de arco y complicará la tercera etapa.

Etapa 3: Oscilación (8–11 mm)
Debido al pequeño espacio de contacto y la corta duración de la apertura en los interruptores de circuito al vacío, los contactos en movimiento deben detenerse en un tiempo extremadamente corto. Independientemente del método de amortiguación utilizado, la tasa de cambio de velocidad sigue siendo alta, lo que hace que el fuerte choque mecánico sea inevitable. La vibración residual suele persistir durante unos 30 ms. Actualmente, tanto los interruptores de circuito al vacío nacionales como internacionales toman aproximadamente 10–12 ms para que el contacto móvil se separe y entre en la zona de vibración, mientras que la duración del arco es típicamente de 12–15 ms. Claramente, la superficie de contacto localmente fundida comienza a enfriarse y solidificarse solo después de entrar en la zona de vibración. Esta vibración intensa inevitablemente salpica metal fundido, formando protuberancias afiladas en la superficie de contacto y dejando partículas metálicas suspendidas entre los contactos—factores externos clave que contribuyen a las reposiciones. Tales defectos de diseño a menudo no se revelan completamente en pruebas de tipo limitadas, lo que lleva a una insuficiente conciencia de este problema durante mucho tiempo.

Conclusión
Los diseñadores de interruptores de circuito al vacío deben prestar mucha atención a todo el proceso de separación de los contactos. Estrategias clave incluyen: reducir la masa móvil, aumentar la velocidad de apertura inicial, reducir rápidamente la velocidad en la segunda etapa y minimizar el tiempo de arco para que el arco se extinga antes de que los contactos entren en la zona de vibración. Esto proporciona un tiempo de enfriamiento suficiente para la superficie de contacto y reduce la intensidad de la vibración. Un perfil de separación bien diseñado, alineado con estos principios mecánicos y eléctricos, mejora significativamente la vida útil mecánica y eléctrica, mejorando la confiabilidad y el rendimiento general.