Cuaderno Técnico nº 198 - Ingeniería de Sistemas y...

Cuaderno Técnico nº 198

El corte de corriente eléctricaen vacío

Philippe PICOT

Cuaderno Técnico Schneider n° 198 / p. 2

La Biblioteca Técnica constituye una colección de títulos que recogen las novedades electrotécnicasy electrónicas. Están destinados a Ingenieros y Técnicos que precisen una información específica omás amplia, que complemente la de los catálogos, guías de producto o noticias técnicas.

Estos documentos ayudan a conocer mejor los fenómenos que se presentan en las instalaciones, lossistemas y equipos eléctricos. Cada uno trata en profundidad un tema concreto del campo de lasredes eléctricas, protecciones, control y mando y de los automatismos industriales.

Puede accederse a estas publicaciones en Internet:

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La reproducción total o parcial de este Cuaderno Técnico está autorizada haciendo la mención obligatoria:«Reproducción del Cuaderno Técnico nº 198 de Schneider Electric».

Cuaderno Técnico no 198

Philippe PICOT

Ingeniero civil de minas (ENSMP).

Entró en Merlin Gerin en 1992, asumiendodiversas responsabilidades, especialmente enaspectos técnicos de la división MT.

Desde 1995 participa en el desarrollo decámaras de vacío en Schneider Electric.

Actualmente es responsable de la previsión yperspectiva de desarrollo tecnológico de laaparamenta MT.

Trad.: J.M. Giró

Original francés: abril 2000

Versión española: febrero 2003

El corte de corriente eléctrica en vacío


El corte de la corriente eléctrica en vacío

Este Cuaderno Técnico constituye una presentación general de las nocionesbásicas relativas al funcionamiento y a la utilización de los aparatos de corte envacío.

La primera parte, titulada «Teoría y Práctica del corte en vacío» es unadescripción rápida de los fenómenos físicos propios del corte en vacío y de suutilización. También incluye una presentación de diferentes opcionestecnológicas que están a disposición de los diseñadores de cámaras de vacío.

La segunda parte se dedica a las interacciones entre el aparato de corte envacío y la red eléctrica en el caso de los circuitos inductivos que, con el corteen vacío, pueden provocar sobretensiones, y por tanto, también, sobre laprotección contra éstas.

En la tercera parte, el autor explica cómo las características propias del corteen vacío, que se han explicado en las dos partes anteriores, determinan losprincipales campos de aplicación de esta técnica, según los valores de tensióny los diversos tipos de aparamenta.

Este Cuaderno Técnico se completa con una amplia bibliografía de obras ydocumentos a los que podrá dirigirse el lector que desee profundizar en algúndetalle especial.

Índice

1 Introducción: utilización del vacío p. 6como medio de corte en laaparamenta eléctrica

2 Teoría y práctica del corte en vacío 2.1 Propiedades dieléctricas del vacío p. 6

2.2 El arco eléctrico en el vacío p. 9

2.3 Fenómenos asociados al corte con corriente cero p. 11

2.4 Diseño práctico de las cámaras de los interruptores de vacío p. 15

3 Corte en vacío y sobretensiones 3.1 Los fenómenos generadores de sobretensiones p. 22al abrir circuitos inductivos 3.2 Las medidas de protección contra las sobretensiones p. 26

4 Los principales campos de 4.1 Las aplicaciones de la técnica de corte en el vacío en MT p. 28aplicación del corte en vacío 4.2 Utilización del corte en vacío en BT p. 32

4.3 Utilización del corte en vacío en AT p. 32

5 Conclusión p. 34

Bibliografía p. 35


1 Introducción: utilización del vacío como medio de corteen la aparamenta eléctrica

El SF6 y el vacío son las dos técnicas modernasde corte que se aplican en el campo de la MT (1a 52 kV) y de la AT (>72,5 kV). Aparecidas enlos años 60, se desarrollaron rápidamente apartir de los años 70 y hoy han sustituido a lasantiguas técnicas de corte en el aire y en aceite.(Figura 1).

El SF6 se utiliza en los equipos de las gamasMT y AT; en cambio, el corte en vacío se hadesarrollado esencialmente en el campo de laMT, con limitadas extrapolaciones a la BT o a laAT: por tanto, ambas técnicas sólo compiten enel campo de la MT.

De hecho, actualmente, la idea de competenciaentre ambas técnicas ha quedado defasada:hubo una competencia comercial entre losconstructores que habían optado por una u otrade estas técnicas, pero actualmente, todos losgrandes fabricantes disponen de la una y de laotra para poder ofrecer a cada usuario lasolución que mejor satisfaga sus necesidades.En efecto, cada técnica tiene sus puntos fuertesy sus puntos débiles. ¡Aunque cada una es muypolivalente y susceptible de ofrecer una soluciónfiable y competitiva a la mayor parte de losproblemas de corte en MT, los usuarios suelenestar en condiciones de escoger en función desus aplicaciones, de sus políticas de explotacióny de mantenimiento, de sus prioridades y hastade sus costumbres!

Históricamente, la técnica de corte en el vacíoha sido desarrollada de acuerdo con losconstructores americanos e ingleses (lospioneros fueron General Electric y VIL),seguidos por los japoneses y los alemanes: suspaíses tienen en común el utilizar para ladistribución de la energía eléctrica en MT redescon tensión nominal relativamente baja (de 7,2

a 15 kV). Por el contrario, en países comoFrancia e Italia, que distribuyen la energíaeléctrica con tensiones próximas a los 24 kV,los constructores han optado por la técnica decorte en SF6.

Es importante destacar, 30 años después, laimportancia tecnológica de esta elección,referida a una aplicación determinada. Enefecto, aún ahora, la evolución técnico-económica global de ambas técnicas resultaequivalente para los valores situados entre 12 y24 kV, con una ventaja relativa para el SF6 porla parte alta y para vacío por la parte baja deestos valores. Sin embargo, las diferencias decoste son pequeñas, lo que explica que puedancoexistir ambas ofertas, vacío y SF6, en todo elconjunto de valores MT comprendidos entre 7,2y 36 kV.

100%

80

60

40

20

0

1980 82 84 86 88 90 92 94 96

Aire Aceite Vacío SF6

Fig. 1: Evolución del mercado de los interruptoresautomáticos MT en Europa.


2 Teoría y práctica del corte en vacío

Todo medio de corte debe de ser, ante todo, unbuen aislante, puesto que se trata de oponerseal paso de la corriente. El vacío no es unaexcepción a esta regla: tiene propiedadesdieléctricas interesantes, pero particularesrespecto a los aislantes gaseosos, que son losque habitualmente se utilizan a presionesiguales o superiores a 1 bar.

El vacío, cuando se le califica de «alto»(margen de presión comprendido entre 10–1 y10–5 Pa, o sea 10–3 y 10–7 mbar), que es el delas cámaras de los interruptores de vacío(figura 2) es, de hecho, un gas a baja presión:típicamente 10–6 mbar, en una cámara nueva.

A esta presión, un volumen de 1 mm3 contienetodavía 27.106 moléculas de gas, pero éstas sepueden ignorar tranquilamente puesto que surecorrido libre entre dos colisiones es del ordende un centenar de metros: el término «vacío» espues apropiado, ya que cada molécula secomporta aproximadamente como si estuvierasola...

Repaso del comportamiento dieléctrico delos gasesCon los valores normales de presión (presiónatmosférica y superiores) el comportamientodieléctrico del gas queda representado por la

parte derecha de la curva de Paschen (figura 3):la tensión de ruptura dieléctrica V es unafunción creciente del producto p.d (p = presión,d = distancia entre los electrodos). Esta relacióncaracteriza el mecanismo de ionización encadena (avalancha de Townsend), responsablede la ruptura dieléctrica: entre dos colisiones,los electrones deben de adquirir una energía

suficiente (proporcional a Vpd

) para ionizar las

moléculas del gas y crear así otros electrones.

A bajas presiones, este mecanismo ya nofunciona. En efecto, los electrones puedenadquirir mucha energía durante su recorridolibre por el medio, pero, la probabilidad de queencuentren las moléculas a ionizar antes dealcanzar el electrodo, se vuelve muy baja: elproceso de avalancha y de multiplicación de losportadores de carga ya no puede producirse y larigidez dieléctrica mejora. Esto es lo queexpresa la curva de Paschen que presenta lamínima rigidez dieléctrica para un producto p.ddel orden de 1 Pa.m para el nitrógeno. Pordebajo de este valor, la rigidez dieléctricaaumenta rápidamente (lado izquierdo de lacurva de Paschen) hasta aplanarse para valoresde p.d inferiores a 10–2 Pa.m. Esta parteaplanada es la que caracteriza elcomportamiento dieléctrico en las cámaras devacío (presión inferior a 10–3 mbar, o sea10–1 Pa, y distancias del orden de 1 a 10 cm).

106

V (V)

p.d (bar.cm)

105

104

103

102

10-5 10-4 10-3 10-2 10-1 1 10

Fig. 2: Una cámara de vacío de 17,5 kV de SchneiderElectric.

Fig. 3: Evolución de la rigidez dieléctrica en el aire enfunción de la presión (curva de Paschen).

2.1 Propiedades dieléctricas del vacío


Corresponde a un valor elevado de rigidezdieléctrica, comparable a la del gas SF6, deunos 2 bares para distancias del orden decentímetros. Con estos valores, no son losmecanismos de ionización del gas residual losque limitan la rigidez dieléctrica, sinofenómenos debidos al estado de las superficiesde los electrodos, como por ejemplo, la emisiónelectrónica de campo y la presencia departículas sueltas.

Emisión electrónica de campo

La emisión electrónica consiste en la extracciónde los electrones del metal de los electrodos.Esto se puede hacer elevando suficientementela temperatura del metal: la emisión termoiónicaque se produce en los cátodos calientes de lasválvulas electrónicas. Pero otro medio es aplicarun campo eléctrico suficientemente elevado enla superficie del metal. Este último fenómeno, laemisión electrónica de campo, es susceptible deproducirse en las cámaras de vacío. Sigue laecuación de Fowler-Nordheim que, en su formasimplificada, puede expresarse:

= −

φφ

2 1,5

eAE B

j expE

,

donde:

je es la densidad de corriente electrónica enAm–2,

A = 1,54 10–6 AJV–2,

E es el campo eléctrico en Vm–1,

φ es el trabajo de extracción en eV (4,5 eV parael cobre),

B = 6,83 109 VJ–1,5 m–1.

Como se puede comprobar a partir de los valoresnuméricos indicados anteriormente, la emisiónelectrónica de campo no se vuelve apreciablehasta valores de campo, en la superficie de losmetales, comprendidos entre algunos 109 Vm–1

y 1010 Vm–1. Se trata de valores muy elevados,claramente por encima de los valores de campomacroscópico aplicados en las cámaras de vacío(del orden de 107 Vm–1 =100 kV/cm). A pesar deello, se observa emisión electrónica de campo enlas cámaras de vacío: por tanto, hay que concluirque, localmente, a nivel microscópico, el campoeléctrico queda reforzado por un factor deintensificación β del orden de algunos 102 ó 103.Los fenómenos que pueden explicar estos altosvalores de β no están todavía completamenteaclarados por los investigadores, que anteponennormalmente o el efecto de puntasmicroscópicas o el efecto de la presencia departículas aislantes en la superficie de losmetales.

Acondicionamiento en tensión

La existencia de zonas microscópicas activas deemisión se traduce normalmente en una malarigidez dieléctrica en las cámaras de vacíonuevas (algunos 10 kV/cm); en cambio, secomprueba experimentalmente que las rupturasdieléctricas repetidas destruyen estas zonas o almenos reducen muy sensiblemente el valor delfactor de intensificación que las caracteriza. Larigidez dieléctrica satisfactoria (respecto a losvalores asignados) sólo se consigue después deun proceso de «acondicionamiento en tensión»consistente en la aplicación de una tensiónelevada (de un orden de magnitud similar a larigidez que se pretende conseguir) durantealgunos minutos: las múltiples rupturasdieléctricas que se producen elevanprogresivamente la rigidez dieléctrica entreelectrodos. La figura 4 ilustra este fenómeno,mostrando la evolución en el tiempo de latensión de ruptura dieléctrica al irseproduciendo descargas: el límite de mejora dela rigidez dieléctrica se alcanza para un valorpróximo a 108 Vm–1, lo que correspondetodavía a una β microscópica, «irreductible»,del orden de 100.

Mecanismos de ruptura dieléctrica

Las rupturas dieléctricas que tienen su origenen la corriente de emisión electrónica producendiversos mecanismos complementarios: enefecto, las corrientes de emisión electrónicaestables (para valores máximos de algunos mA)no degeneran forzosamente en rupturasdieléctricas si no se aumenta la tensiónaplicada; hasta incluso pueden disminuir porefecto del acondicionamiento. La rupturadieléctrica propiamente dicha depende de laaparición de un plasma (gas ionizado)

180

160

140

120

100

80

60

200 200100 400300 500

40

Tensión deperforación (kV)

Número de descargas

Fig. 4: Evolución en el tiempo de la tensión deperforación o ruptura dieléctrica entre dos electrodos enel vacío mediante descargas.


localizado, suficientemente denso para que seproduzca el fenómeno de avalancha de lasdescargas gaseosas.

El plasma puede producirse al lado del cátodopor la explosión de un punto emisormicroscópico, explosión provocada por uncalentamiento intenso debido a una densidad decorriente localmente muy elevada (efectoJoule): la ruptura dieléctrica se produce en elvapor metálico generado por la destrucción delpunto emisor.

El plasma también puede producirse al lado delánodo bombardeado por un haz de electronesfuertemente energéticos (lo que se produce, porotra parte, por la emisión de rayos X). Este flujolocalizado de energía provoca la desabsorcióndel gas absorbido en la superficie y lavaporización del metal del ánodo: por tanto, elgas generado es ionizado por los electrones delhaz y se produce la ruptura dieléctrica.

Influencia de las partículas desprendidas

Hay un segundo factor susceptible de provocarrupturas dieléctricas en el vacío: se trata de laspartículas que hay en las paredes de lascámaras de vacío y que se pueden desprender.Liberadas o por un choque o por el efecto de lasfuerzas electrostáticas, estas partículascargadas adquieren energía al atravesar elespacio entre electrodos. En el momento deimpactar en los electrodos que las atraenpueden desencadenar la ruptura dieléctrica dedos formas eventualmente complementarias:

por aumento local de la densidad de gas,debido a la desabsorción de las moléculas degas absorbidas,

por el disparo del fenómeno de emisiónelectrónica y la vaporización parcial de lapartícula o del electrodo bajo el efecto del hazque los bombardea.

Una confirmación de la importancia práctica delas partículas es la comprobación experimentalde que la rigidez dieléctrica del vacío en elespacio entre electrodos creceaproximadamente en proporción de la raízcuadrada de la distancia que los separa. Estarelación puede explicarse por la hipótesis deque las partículas deben de alcanzar unaenergía suficiente (proporcional a V2/d) parapoder provocar una ruptura dieléctrica. Por estamisma razón, las partículas grandes,susceptibles de llevar una carga eléctrica másimportante, son peores que las pequeñas.

Hay que recordar dos consecuencias de lainfluencia desfavorable que tienen las partículasdesprendidas en la rigidez dieléctrica de lascámaras de vacío:

es difícil alcanzar valores elevados de rigidezdieléctrica, incluso con una separaciónimportante entre electrodos (figura 5),

la rigidez dieléctrica de una cámara de vacíotiene un carácter aleatorio: la ruptura dieléctricapuede producirse con retraso respecto a laaplicación de la tensión y para una tensióninferior a la soportada antes de la perforación.

Síntesis El vacío tiene propiedades dieléctricasinteresantes a condición de limitar las tensionesaplicadas a unos 100 ó 200 kV, lo que corres-ponde a los valores de aislamiento necesariospara las tensiones asignadas ≤ 36 kV, para lasque las distancias de algunos centímetros entreelectrodos son suficientes. Por encima de estosvalores, el alcanzar la rigidez dieléctricaadecuada resulta laborioso y es menos eficazque con un aislamiento gaseoso con SF6.

La rigidez dieléctrica de todo dispositivo decorte en vacío evoluciona con el tiempo. Enefecto, la maniobras mecánicas y los efectosdel arco eléctrico modifican el estado de lasuperficie de los contactos y generan partículas:por tanto, los valores de rigidez obtenidos comoresultado del acondicionamiento en tensión, nopueden considerarse como definitivamenteconseguidos. Así pues, el vacío no es el medioaislante ideal cuando la fiabilidad de la rigidezdieléctrica es primordial, como por ejemplo, enlos seccionadores.

1000

100

101 10 100 1000

Distancia entre electrodos (mm)

Tensión deperforación (kV)

Fig. 5: Rigidez dieléctrica que puede alcanzarse entreelectrodos en función de su distancia.


Aunque, como se ha descrito en la secciónprecedente, el vacío es un excelente dieléctrico,un arco también puede «vivir» muy bien en el«vacío». De hecho, las tensiones de arco en elvacío son, con frecuencia, claramente inferioresa las de los arcos desarrollados en otrosmedios, lo que constituye una ventaja respectoa la energía disipada en el arco. El arco envacío puede presentarse, simplificandointencionadamente, de dos formas principales:el modo difuso y el modo concentrado.

Un modo difuso, característico del medio«vacío»

El modo difuso es específico del arco en elvacío: presenta particularidades notables que lodiferencian claramente de los arcos en mediosgaseosos. Es el modo que adopta naturalmenteun arco en el vacío con un margen de corrienteentre algunos amperios y algunos kiloamperios.

Las principales características del modo difusoson las siguientes:

el cátodo emite hacia el espacio entreelectrodos, a través de uno o varios puntos(«spot») catódicos, un plasma, básicamenteneutro, constituido por electrones y iones, congran velocidad, dirigidos normalmente sobretodo a la superficie del cátodo,

el ánodo, bañado por este plasma en toda susuperficie, actúa como colector pasivo decargas. Los puntos catódicos y el plasma sonlas características específicas del arco en mododifuso.

el punto («spot») catódico

El punto catódico es una zona de dimensionesmuy pequeñas (radio del orden de 5 a 10 µm),capaz de emitir una corriente que puedealcanzar un centenar de amperios.

En la zona del punto catódico se tienen unascondiciones extremas de temperatura y decampo eléctrico (típicamente de 5000 K y5 109 V/m), que permiten la emisión electrónicapor la combinación de los mecanismos deemisión –termoiónica y de campo–, capaz deproducir densidades de corriente muy elevadas(del orden de 1011 a 1012 A/m2).

Por encima de los 100 A, este punto sesubdivide coexistiendo varios puntos en elcátodo, en número suficiente para transportar lacorriente a razón de un centenar de amperioscada uno de ellos. Se repelen mutuamente, loque ha hecho calificar su movimiento de«retrógrado» porque está en contradicción con

la actuación normal del las fuerzaselectromagnéticas. Así un arco en modo difusotiende a ocupar toda la superficie disponible delcátodo (aunque en un momento dado lospuntos de emisión no representen más que unapequeña parte del cátodo).

El plasma

A escala macroscópica, el punto catódico(cráter y plasma próximo asociado) aparececomo el punto de producción de un plasma debaja densidad que sale del punto y llena elespacio entre electrodos. Este plasma,globalmente neutro (densidades iguales decargas + y –), está constituido por electrones yiones, típicamente con carga doble (para unarco sobre electrodos a base de Cu). Una de lascaracterísticas de este plasma es la granvelocidad de los iones que presentan energíassuperiores a la tensión de arco (lo que pone demanifiesto que se producen fenómenosaltamente energéticos en la zona del puntocatódico). Estos iones que salen del punto conuna distribución de velocidad aproximadamenteen cos (ángulo/normal) no tienen pues dificultaden alcanzar el ánodo y crean una corrienteiónica de sentido opuesto a la corrienteelectrónica principal que representa típicamenteun 10% de la corriente del arco. La velocidaddirigida de estos iones es del orden de 104 m/s,superior a su velocidad de agitación térmica.

Una de las consecuencias importantes de laelevada velocidad de los iones creados por lospuntos catódicos es su corto tiempo de tránsitoen el espacio entre los electrodos (típicamentedel orden de 1 µs). El plasma, creado en elpunto catódico, al estar constituido porpartículas extremadamente móviles (electronesy iones rápidos, prácticamente sin partículasneutras) desaparece pues muy rápidamentecuando el punto deja de funcionar (cero decorriente).

El ánodo, sumergido en el plasma quedesprenden los puntos catódicos, se comportacomo un electrodo pasivo que recoge las cargasy extrae la corriente impuesta por el circuito,ajustando su potencial: es negativo respecto aldel plasma, mientras que la corriente es inferiora la que corresponde a los impactos debidos ala agitación térmica de los electrones.

La distribución de los potenciales en el arco esla siguiente:

un salto o escalón catódico del orden de 20 Ven la proximidad inmediata al cátodo,

2.2 El arco eléctrico en el vacío


una caída de tensión de algunos voltios en elplasma que aumenta con la distancia y lacorriente (característica positiva que permite lacoexistencia de varios arcos en paralelo,contrariamente a los arcos en el seno de ungas),

un salto o escalón anódico negativo en elcaso antes considerado (circulación de unacorriente moderada por el ánodo).

De este modo, la erosión del cátodo espequeña: corresponde al flujo de iones queabandonan el cátodo, aproximadamente unos40 µg/C. Una parte importante de estos iones sedeposita en el ánodo, lo que, en corrientealterna, hace que la erosión nítida sea muchomenor: dividida aproximadamente por un factorde 10 para los contactores que trabajan de estemodo con corrientes limitadas y electrodos conpoca separación.

Un modo concentrado análogo al del arcoen un medio gaseosoCuando la corriente aumenta, la situacióndescrita tiende a evolucionar ante todo en ellado del ánodo. Varios fenómenos contribuyen aesta evolución:

ante todo, una contracción de la columna deplasma, generalmente explicada por el efectoHall (desviación de las cargas por el campomagnético azimutal creado por las otras líneasde corriente, lo que deduce la aparición de unacomponente radial que tiende apretar las líneasde corriente alrededor del eje): la corriente seconcentra en una región menor del ánodo,

por otra parte, puesto que el ánodo atraecada vez más a los electrones, el plasma vadejando de ser neutro: faltan iones positivospara equilibrar la carga espacial de electrones

en las proximidades del ánodo. Esto produce laformación de un salto positivo de tensiónanódica, necesario para atraer a los electronesa pesar de la carga espacial. La energíarecibida por el ánodo aumenta y tiende aconcentrarse en una zona reducida: el ánodo secalienta y comienza a emitir las partículasneutras que son ionizadas por los electronesincidentes. Aparece entonces alrededor delánodo un plasma secundario formado deelectrones secundarios y iones menosenergéticos emitidos por los puntos catódicos.

Estos fenómenos acaban produciendo unamancha anódica luminosa, de dimensionesclaramente más importantes (del orden detamaño del cm2) que la de los puntos deemisión catódicos, hecha de metal fundido, quevierte en el espacio entre electrodos cantidadesde vapor que dependen de que se ionicen en elflujo procedente del cátodo.

Este efecto de contracción en el lado del ánodoacaba por afectar también la contracción dellado del cátodo, porque se crea un caminopreferente gracias al plasma generado por elánodo: aparece una mancha catódicacorrespondiente a la mancha anódica y el arcotoma la forma característica concentrada de losarcos en un medio gaseoso. Se trata entoncesde un arco en una atmósfera de vaporesmetálicos densos, cuyos mecanismos defuncionamiento se basan en la ionización de unmedio gaseoso.

Por tanto, este arco en modo concentrado secaracteriza por ser un plasma formado deelectrones (para la mayor parte secundarios),partículas neutras y de iones, cuya energía espróxima a la de las partículas neutras, y portanto, relativamente lentos.


Principios generales del corte

Todos los interruptores automáticos de MTaprovechan el paso natural por cero de laintensidad de corriente alterna (2 veces porperíodo, o sea, cada 10 ms, para corriente de50 Hz) para interrumpir la corriente.

La inevitable fase de arco

Cuando se establece una corriente de defectoen un circuito, la separación de los contactosdel interruptor automático no tiene repercusióninmediata en la circulación de la corriente. Enlos últimos puntos de contacto, la densidad decorriente se vuelve muy elevada, lo que provocauna fusión local y la aparición de un puentemetálico líquido. Los contactos continúanseparándose, este puente caliente debido alpaso de la intensidad, se vuelve inestable y suruptura produce la aparición de un arcoconcentrado en los vapores metálicos queproceden de la explosión del puente líquido. Latensión de arco que aparece en el caso delvacío es baja debido a las fuerzaselectromotrices de los generadores de las redesBT o AT: por tanto, la intensidad que circula porel circuito no resulta sensiblemente afectada nilimitada por esta tensión de arco.

Este arco adoptará el modo difuso oconcentrado antes descritos, cambiando

eventualmente de un modo a otro, ymanteniédose hasta el cero de corriente.

La fase de restablecimiento después del cerode corriente

Si el plasma, que hasta este momento permitíael paso de corriente, aprovecha este reposopara disiparse muy rápidamente, la corrientepuede conseguir no restablecerse en la próximaalternancia. Aparece entonces en los bornes delelemento, una TTR (tensión transitoria derestablecimiento), impuesta por el circuito, quelo hace pasar del estado conductor al estadoaislante. Si el circuito hace aparecer en bornesdel elemento una tensión transitoria derestablecimiento (TTR), éste pasa del estadoconductor al de aislante. En caso de corto-circuito, las oscilaciones entre las capacidadeslocales y las inductancias de red provocan estaTTR, que tiene, en su fase inicial, aproximada-mente, una forma en (1 - coseno), con unafrecuencia natural, para las redes MT, del ordende algunas decenas de kHz y que alcanza unvalor cresta superior a la tensión normal de lared, lo que corresponde a unas velocidadesmedias de aumento de algunos kV/µs. Si elmedio, nuevamente aislante, soporta esteesfuerzo dieléctrico que se le aplica, seconsigue la interrupción de corriente (figura 6).

10.00 kA

U5.00 kV

UE 40 V/V0.50 V

1 ms

Laboratorio VOLTA C2531 98/12/04/009

Fig. 6: Un corte satisfactorio de la intensidad de corriente (fuente: Merlin Gerin).

2.3 Fenómenos asociados al corte con corriente cero


Caso del corte en el vacío

Para determinar las condiciones de éxito delcorte de la corriente, es necesario estudiar losfenómenos que se producen en el plasma delarco en vacío cuando la corriente tiene un valorpróximo a cero.

Corriente post-arco

Cuando se acerca el final de la semionda, lacorriente decrece tanto más rápidamente cuantomayor ha sido la corriente de cresta y lafrecuencia de la red (di/dt = ω.î). El arco en elvacío vuelve a pasar al modo difuso y, cuandose está cerca del cero de corriente, sólo quedaun único punto catódico. En cambio, el espacioentre los contactos todavía está lleno de unplasma residual, globalmente neutro,constituido por electrones, iones y partículasneutras, procedentes del arco anterior.

En el momento del cero de corriente, el últimopunto catódico se extingue debido a ladesaparición de la tensión de arco. Por tanto, yano hay una zona de emisión que cree partículascargadas (electrones y iones) necesarios para lacirculación de la corriente eléctrica.

A partir de este instante, comienza aparecerentre ambos contactos una tensión de polaridadopuesta a la tensión de arco precedente (TTR):el ex-ánodo se vuelve negativo respecto al ex-

1

2

3

Campo eléctrico

tSerie 1: E en la superficie del ex-ánodoSerie 2: UTTS / espesor de la envolvente, campo medio en la envolventeSerie 3: UTTR / distancia entre contactos

cátodo y rechaza los electrones. La corrienteque circula en el circuito ya no está constituidamás que por la corriente iónica que el ex-ánodoextrae del plasma residual que se vaenrareciendo: esta corriente, de polaridadopuesta a la del arco, se denomina corrientepost-arco.

Entonces, el ex-ánodo ya no está en contactocon el plasma neutro, todavía presente en elespacio entre contactos: queda separado poruna funda (en inglés «sheath») de la que estánausentes los electrones, puesto que sonrechazados por la tensión negativa del ex-ánodoy donde ya no existen más que iones positivosque atraviesan la frontera del plasma neutro yson entonces acelerados hacia el ex-ánodo. Portanto, la tensión que aparece entre ex-cátodo yex-ánodo sólo se aplica al grosor de la fundaque separa el plasma neutro del ex-ánodo.Además, la presencia de cargas de espaciopositivas en esta funda refuerza el campoeléctrico en la superficie del ex-ánodo que esmás elevado que el campo mediocorrespondiente al valor de la TTR dividida porel grosor de la funda (figura 7).

El espesor de la funda que rodea el ex-ánodo esdirectamente proporcional a la tensión aplicadaentre el plasma neutro y el electrodo einversamente proporcional a la densidad deiones positivos: aumenta, pues, en función de la

Fig. 7: Campo eléctrico en la superficie del ex-ánodo y campo medio correspondiente entre electrodos.


evolución de la TTR y más aún cuando elplasma se enrarece. Cuando el límite de lafunda alcanza el ex-cátodo, el plasma residualha desaparecido, puesto que el conjunto de suscargas han sido utilizadas por la corriente post-arco que ha pasado a ser nula.

Estos fenómenos se desarrollan en un plazo detiempo muy reducido: la duración total de lacorriente post-arco es típicamente de 1 a 10 µs(figura 8).

Causas del no-corte

Para que la corriente pueda mantenerse, esnecesario que los mecanismos de creación decargas eléctricas tomen el relevo de los puntoscatódicos apagados del ex-cátodo.

Un primer mecanismo posible es la ionizacióndel vapor metálico neutro presente en el espacioentre contactos. Esta ionización será tanto másfácil cuanto mayor sea la densidad de partículasneutras. Si la densidad de vapor es muyimportante (zonas muy calientes en los contactosproducen vapores metálicos en abundancia), lacorriente no llega a interrumpirse del todo: no seproduce un aumento de la TTR, lo que sedenomina un «no-corte térmico». Si la densidadde partículas neutras es suficientemente altacomo para que la rigidez dieléctrica del vacío seabaja (cerca del mínimo de la curva dePASCHEN), la corriente podrá ser interrumpida,pero el espacio entre contactos no puede

soportar la TTR aplicada y se produce unaruptura dieléctrica durante la subida de la TTR,lo que se denomina «no-corte dieléctrico».

Un segundo mecanismo posible es la apariciónde puntos catódicos en el ex-ánodo. Para esto,deben de producirse localmente condicionesfavorables de emisión en la superficie del ex-ánodo:

emisión termoiónica, si quedan puntos muycalientes, que es cuando el ánodo contiene unmetal refractario (W),

emisión de campo o emisión combinada, siel campo eléctrico aplicado a la superficie esimportante en ciertas zonas con un factor deintensificación β elevado.

Ahora bien, se ha visto antes que el campoeléctrico aplicado a la superficie del ex-ánodoaparece con valores elevados desde el principiode la aplicación de la TTR, pues el espesor dela funda es pequeño y tanto menor cuantomayor es la densidad de iones. Por otra parte,el ex-ánodo es bombardeado por los ionesacelerados en la funda por la TTR, lo queprovoca calentamientos localizados. Laprobabilidad de aparición de puntos catódicosen el ex-ánodo es pues tanto mayor cuantomayor es la densidad de iones en el plasmaresidual, lo que va a la par con una densidadimportante de partículas neutras que frenan, porcolisión, los iones rápidos emitidos por los

3 post-arco1A

V3 5.00 kV

0.01 ms


Fig. 8: Intensidad de corriente post-arco de una duración especialmente larga, alrededor de 40 µs, prueba del límitedel poder de corte de una cámara.


puntos catódicos, los calientan (energía mediacercana de la temperatura del plasma) yralentizan su difusión en el momento del cero decorriente.

Si la densidad de plasma es suficientementebaja en el momento del cero de corriente,probablemente se darán las condicionesnecesarias para conseguir el corte del arco: lacorriente es interrumpida y el espacio entreelectrodos soporta la tensión derestablecimiento hasta su valor de cresta.

Sin embargo, en el caso de los interruptoresautomáticos de vacío, una vez superada estaetapa el éxito del corte no está completamenteasegurado. En efecto, durante algunosmilisegundos después del corte, la situacióndentro de la cámara va evolucionando y puedenproducirse rupturas dieléctricas:

las partículas generadas en la fase de arcopueden desprenderse de las paredes debido avibraciones y/o a las fuerzas electrostáticas,

las zonas en fusión de los contactos puedenemitir gotitas bajo el efecto de fuerzaselectrostáticas,

la solidificación del metal líquido puedemodificar la superficie del contacto o liberargases disueltos.

Incluso cuando se prueba una cámara de vacíohasta el límite de su poder de corte, después dehaber conseguido un corte aparentementeexitoso, no es raro observar fallos dieléctricostardíos (figura 9), que pueden ser:

transitorios (duración del algunos µs) si lacámara es capaz de cortar la corriente de AFque sigue a la descarga. Si estas rupturasdieléctricas transitorias se producen más de unavez por cuarto de período de la frecuenciaindustrial después del cero de corriente, seconsideran como de descargas disruptivas nomantenidas (NSDD = non-sustained disruptive)y se interpretan como un signo de debilidad delaparato (por esta razón el número máximo deNSDD tolerado es de tres para una seriecompleta de ensayos de corte de un interruptorautomático, según la CEI 60056),

completos y, en este caso, hay reapariciónde corriente de potencia después de un períodomás o menos largo (del orden de 0,1 a 1 ms) deinterrupción.

V15.00 kV

V25.00 kV

0.1 ms


V35.00 kV

Fig. 9: Ejemplo de fallos dieléctricos tardíos.


Elección de la técnica de corte

La sección precedente ha aclarado lascondiciones que deben de cumplirse paraconseguir el corte. En la práctica, estascondiciones siempre se dan cuando el arcoqueda en modo difuso, que es cuando lascorrientes a cortar no sobrepasan algunos kA.Este es el caso de los interruptores ycontactores que pueden por tanto utilizarcontactos fronteles muy simples.

Cuando el arco pasa a modo concentrado, laenergía se disipa en una superficie de electrodoreducida, lo que provoca un calentamientolocalizado y una vaporización considerable. Si elarco se queda inmóvil, el corte no es seguro.

Se emplean dos métodos para superar lasdificultades producidas por el paso del arco almodo concentrado.

El primero consiste en provocar unmovimiento rápido circular del arco concentradopara que la energía sea repartida sobre unagran parte del contacto y por tanto que elcalentamiento de cada punto sea menor: estose consigue aplicando un campo magnéticoradial en la zona de arco.

El segundo consiste en impedir el paso almodo concentrado aplicando un campomagnético axial: cuando el campo alcanza un

valor suficiente, el arco se estabiliza en unmodo calificado de «columna difusa» y no seconcentra; y, puesto que el arco inmovilizadoutiliza la mayor parte de la superficie de loscontactos, el calentamiento resulta por tanto,también en este caso, limitado.

Técnica con campo radial rB

El arco concentrado puede asimilarse a unconductor atravesado por una corriente cuyadirección es paralela al eje de los contactos. Sise aplica un campo magnético radial a esteconductor, la fuerza electromagnética resultantetendrá una dirección azimutal y provocará larotación del arco alrededor del eje de loscontactos.

El campo rB

es provocado por el recorrido quese obliga a seguir a la corriente en loscontactos. Para obtener este resultado, seutilizan dos tipos de estructura de contacto(figura 10):

contactos de tipo espiral,

contactos de tipo copa (o «contrate»)

El funcionamiento correcto de las cámaras concampo radial depende de un compromiso en lageometría de los contactos y en particular de laanchura de las ranuras para los contactos detipo espiral:

2.4 Diseño práctico de las cámaras de los interruptores de vacío

a - Espiral

Br

F

BrF

b - En copa

Fig. 10: Estructuras de contactos utilizados para crear el campo radial (espiral y copa «contrate»).


si la anchura es excesiva, se tiene el efectonegativo de que el arco tiende a «saltar» de unaporción de contacto a otra, lo que puede hacerque se quede quieto en el extremo de unasección calentándola excesivamente (puestoque el arco está en modo concentrado),

si la anchura es insuficiente, la hendidurapuede rellenarse con el material fundido delcontacto y el recorrido de la corriente, asímodificado, produce la desaparición del camporadial y por tanto la inmovilización del arco.

Aunque móvil, el arco giratorio se mantieneconcentrado y haciendo por tanto una acciónenérgica en la porción de electrodo que losoporta; las grandes presiones que aparecen enlas raíces del arco provocan la emisión dematerial de contacto fundido en forma degotitas. Este proceso es un medio eficaz delimitar el calentamiento del resto del electrodo(o de facilitar su enfriamiento), porque laenergía que aporta el arco se evacúa, con losmateriales desprendidos, condensándose en lasparedes próximas; por desgracia, provocatambién una erosión relativamente importantede los contactos.

Técnica de campo axial aB

Cuando un plasma de arco se somete a uncampo magnético axial suficientementeimportante, los electrones son obligados aseguir trayectorias paralelas a las líneas decampo, que son como las hélices de ejeparalelo al de los contactos, porque aB

secombina con el campo azimutal generado por lapropia corriente.

Los iones positivos del plasma, mucho máspesados, no son controlados de modo tan eficazpor el campo, sino que son retenidos por elesfuerzo electrostático desarrollado por la cargade espacio negativa de los electrones cogidosen la trampa por el campo axial: éstas son lasfuerzas electrostáticas que hacen que el plasmatienda a quedar globalmente neutro. Enconsecuencia, el confinamiento de loselectrones se convierte en un confinamiento delconjunto del plasma en una columna quecorresponde al tubo de campo interceptado porel cátodo: si este tubo es paralelo al eje de loselectrodos, la mayor parte del plasma producidopor el cátodo llega al ánodo. En estascondiciones, el arco conserva esencialmente lascaracterísticas del modo difuso, aunque con unvalor de densidad de corriente claramentesuperior:

la tensión de arco se mantiene moderadaporque el plasma se conserva neutro hastacerca del ánodo (no se da el fenómeno de«falta» de iones),

la tendencia del arco a concentrarse en lasproximidades del ánodo por efecto Hall secontrarresta por el campo axial que fuerza a loselectrones a mantener una trayectoriaesencialmente paralela al eje;

si la superficie de los electrodos, en particulardel ánodo, donde se apoya la columna de arcoes suficiente para la corriente, la densidad deenergía, y por tanto el calentamiento, quedanlimitados. La vaporización del material delcontacto es bastante reducida, quedando así sinmodificar la naturaleza del plasma por laionización de las partículas neutras.

Para que el arco quede en este modo decolumna difusa, adecuada para el corte, se hande dar dos condiciones principales :

aB

debe de ser suficientemente elevado. Elvalor de campo axial crítico necesario paraimpedir la formación de una mancha anódicaviene dado por la fórmula experimental:Ba crítico = 3,9 (Ip – 10)donde, Ba en mT, siendo Ip el valor de lacorriente de cresta en kA),

la superficie del electrodo debe ser suficientepara un valor de corriente dado: la densidad decorriente que no hay que sobrepasar es delorden de 17 A/mm2 (fórmula de RENTZ). Dehecho, este límite en densidad de corriente sóloes válido en una primera aproximación y elpoder de corte de las cámaras con campo axialno evoluciona en proporción directa de lasuperficie de los contactos. En efecto, hay quetener en cuenta, por una parte, que el arcoconcentrado inicial produce la separación de loscontactos y, por otra, el tiempo necesario paraque el arco ocupe la totalidad de la superficiedisponible de los electrodos: el poder de corteen función del diámetro de los contactos sigueaproximadamente una variación de d1,4.

El arco en una cámara con campo axial esmucho menos móvil que en una cámara concampo radial. Incluso si la densidad de corrientees suficientemente elevada para provocar lafusión del material del ánodo, las proyeccionesson limitadas. Por tanto, la erosión de loscontactos resulta menor que en un cámara concampo radial; en cambio, el material fundido sequeda en su sitio y retrasa el enfriamiento de lasuperficie del electrodo. Por esto, aunque enprincipio la utilización de la superficie disponibledel contacto parezca más eficaz con un campoaxial que con un campo radial, esto no siemprese cumple; especialmente con grandescorrientes y tensiones bajas, es posiblealcanzar, con un campo radial, y para unasuperficie dada, poderes de corte superiores,aunque, eso sí, con una mayor erosión.


Pueden utilizarse diversas soluciones paraobtener el campo axial entre los contactos,utilizando la propia corriente que hay que cortar:

espiras integradas detrás de los contactos(figura 11),

circuito magnético que canaliza el campoazimutal creado por las citadas corrientes y quelo convierte en un campo axial en la zona entrecontactos,

espira, exterior a la cámara, que envuelve lazona entre contactos (figura 12).

De un modo general, el camino impuesto a lacorriente, para crear un campo axial suficienteen el espacio entre contactos, es más largo queel necesario para crear un campo radial local.Para un volumen dado, la resistencia de loscontactos es pues menor con la técnica decampo radial, lo que es una ventaja para losinterruptores automáticos de grandes calibres.

Por el contrario, las formas necesarias para loscontactos con campo radial son más retorcidasque las de los contactos con campo axial y portanto menos favorables en el plano dieléctrico:el campo axial será mejor para las tensionesmás elevadas.

4 elementos de espira

4 elementos de espira

Pastillas de contacto (las ranuras fuerzan la circulación decorrientes inducidas que se oponena las corrientes que recorren las espiras)

Entrada de corriente

Salida de corriente

Fig. 11: Ejemplo de contacto con campo magnético axial.

Fig. 12: Cámara con campo magnético axial con espiraexterior.


El diseñador escoge pues una u otra técnica enfunción de sus ventajas respectivas según laaplicación prevista (figura 13).

Elección de la arquitectura Constitución de una cámara de vacío

Una cámara de vacío sólo tiene unos pocoscomponentes (figura 14).

En esta figura se pueden ver:

dos conjuntos de contactos eléctricos del tipo«contactos frontales» (porque, en el vacío, loscontactos deslizantes se soldarían); el uno, fijo;el otro, móvil. Cada unidad tiene un electrodocilíndrico que transporta la corriente hasta elcontacto propiamente dicho,

una envoltura estanca con un aislador queasegura el aislamiento eléctrico entre loscontactos fijo y móvil,

una pantalla de protección, en la cara internadel aislador, contra la condensación de losvapores metálicos generados por el arco,

un fuelle metálico para permitir el despla-zamiento del contacto móvil manteniendo laestanqueidad de la envolvente.

Se trata de constituyentes básicos presentes entoda cámara. Además, en las cámaras parainterruptores automáticos, están los dispositivosgeneradores del campo magnético (radial oaxial) necesarios para el corte del arco depotencia.

Las posibles variantes se dan sobre todo para lapantalla y los dispositivos de creación delcampo magnético.

Configuraciones de pantalla

La elección principal en cuanto a la pantalla serefiere a:

su modo de fijación, que determina supotencial: el potencial es fijo (el del electrodofijo) si la pantalla está unida a esta extremidad

de la cámara; es flotante si la pantalla se fija enun punto intermedio del aislador sin conexióneléctrica con uno u otro de los contactos,

su posición, que puede ser interna o externaa la envolvente; en este último caso, la pantallaforma parte de la envolvente y debe serestanca.

Las combinaciones de estas diversas opcionesllevan a cuatro configuraciones posibles, todasellas utilizadas según las características que sepretendan.

Por regla general:

cuando se pretende un bajo coste, se escogeuna pantalla a potencial fijo; en cambio, cuandose prevén prestaciones elevadas, se escoge unapantalla a potencial flotante,

se escoge una pantalla externa, para tener undiámetro menor y una pantalla interna para lasencillez de fabricación.

Dispositivos generadores de campo radial ode campo axial

Los dispositivos que producen el campo radialnecesario para la rotación del arco deben estarlo más cerca posible de él: por tanto, quedantotalmente integrados en la estructura misma delos contactos, en el interior de la cámara. Lasdos geometrías más frecuentes se han descritoen el capítulo anterior: se trata de los contactos«espirales» y de los contactos de tipo «copa» o

Fig. 13: Tabla comparativa de las dos técnicas de corte. Fig. 14: Constitución de una cámara de corte en vacío.

Aptitud para: Técnica con Técnica concampo radial campo axial

Intensidad permanente xxx xelevada

Tensión asignada x xxxelevada

Endurancia eléctrica x xxx

Poder de corte xx xx

xxx = muy bueno; xx = bueno; x = medio

Envolventeaislante

Pantallasecundaria

Pantalla principal

Contacto fijo

Pantallassecundarias

Contacto móvil

Fuelle


«contrate». La elección de una u otra soluciónno modifica la arquitectura del conjunto de lacámara. Por el contrario, para las cámaras concampo axial hay dos arquitecturas posibles. Enefecto, el dispositivo que produce el campo axial(que la mayor parte de las veces son elementosde espira circular con el eje paralelo al de lacámara) puede alojarse en la estructura de loscontactos internos, como para las cámaras decampo radial, o en el exterior de la cámara. Eneste último caso, se trata de una espira querodea la zona de separación de los contactos.La espira está en serie con el contacto fijo y esatravesada por la corriente del circuito. Lafigura 15 representa un montaje con estaconfiguración: nótese que, para reducir lapotencia disipada en el dispositivo, la espiraestá constituida por tres elementos en paralelo.Uno de los inconvenientes de esta estructura esla longitud del recorrido impuesto a la corrientepara crear un campo axial suficiente en elinterior de un volumen considerable. Estosupone, por tanto, pérdidas más importantesque no se traducen sin embargo forzosamenteen los calentamientos superiores, puesto quelas espiras en el aire están mejor enfriadas (porconvección) que estando integradas en loscontactos de las cámaras.

Por otra parte, la presencia de una espira alpotencial del contacto fijo, alrededor de loscontactos, fuerza en la práctica la elección deuna pantalla a potencial fijo para este tipo decámara.

Se podría pensar que la presencia de una espiraexterior tiene inconvenientes en cuanto a lasdimensiones de la cámara, que aumenta sudiámetro exterior. De hecho, la posibilidad deutilizar la totalidad de la superficie de loscontactos sometidos a un campo axialrelativamente uniforme creado por la espiraexterior (que no es el caso para los contactoscon espiras integradas) compensa estadesventaja y sus considerables molestias.

La principal ventaja de la arquitectura concampo axial con espira exterior es la posibilidadde realizar una cámara compacta, sencilla y portanto económica. Los inconvenientes porcalentamiento y dieléctricos (debido al diseñocon pantalla fija) hacen preferible la estructuracon dispositivos integrados en los contactos(campo axial o campo radial) para valores detensión elevada (hasta 24 kV) o de intensidadesnominales elevadas (hasta 3150 A).

Elección de los materiales y tecnologías defabricaciónPara las cámaras de vacío de interruptores, laelección de los materiales y de las tecnologíasde fabricación se guía por la necesidad de:

garantizar la conservación del alto vacío(<10–3 mbar) necesario para el funcionamientode la cámara durante su vida útil (unos 30 años),

asegurar la fiabilidad de las prestacionesasignadas y en especial del poder de corte.

Elección en función de las exigencias decalidad del vacío

Todo recinto con vacío queda sometido a unadegradación de su valor de vacío debido afenómenos de desgasificación que aparecencuando la presión alcanza valoressuficientemente bajos. La desgasificación es,ante todo, un fenómeno de superficie quecorresponde al desprendimiento de lasmoléculas de gas absorbidas en las paredes.Este gas es fácil y rápidamente eliminado por elcalentamiento relativamente moderado (delorden de 200ºC) de las paredes del recintodurante la aspiración. A continuación apareceuna desgasificación volumétrica quecorresponde a la difusión, hacia la superficie delas sustancias metálicas, de los gases en ellasdisueltos, como el hidrógeno.

Para evitar que la desgasificación, provenienteesencialmente de las piezas macizas, degradeprogresivamente valor del vacío de una cámara,es importante:

utilizar sustancias que tengan la menorcantidad posible de gas (por ejemplo cobre Cu-OFE, exento de oxígeno),

Espiracompuestade 3 elementosimbricados

Cámara

Fig. 15: Ejemplo de una espira, alrededor de la zona deseparación de los contactos, constituida por treselementos en paralelo.


proceder a una desgasificación forzada deestos materiales efectuando una aspiración, deduración larga, de la ampolla a temperaturasuficientemente elevada (típicamente, unadecena de horas a una temperatura del ordende 500ºC),

Los gases debidos a los metales (bajo forma decompuestos químicos) no son susceptibles dedesgasificación; en cambio, pueden serliberados por efecto del arco. Es pues necesarioque las sustancias utilizadas para los contactosde arco se elaboren en vacío, para tener lamenor desgasificación ulterior posible.

La estanqueidad de la envolvente de la cámaradebe de ser perfecta, lo que implica ausencia defugas y de permeabilidad en condiciones deservicio. Por estos motivos, las envolventes sefabrican con sustancias metálicas y cerámicas:los aisladores con cerámica de aluminio hansustituido al vidrio porque pueden soportartemperaturas más elevadas y permitir unamejor desgasificación.

Las uniones entre las piezas metálicas de laenvolvente se realizan mediante soldadura osoldadura fuerte. Las uniones cerámica-metaltambién se hacen con soldadura fuerte, seasoldadura con reactivo, permitiendo la unióndirecta sobre cerámica, sea con soldadurafuerte tradicional, con una metalización(Mo-Mn + Ni) previa de la cerámica.

Las operaciones finales de soldadura fuerte serealizan en un horno, en vacío, para asegurar ladesgasificación de las sustancias. Cada vez esmás frecuente que el sellado de la cámara serealice también durante la operación desoldadura fuerte en vacío, lo que permiteeliminar la operación de aspiración.

Teniendo en cuenta el grado de estanqueidadnecesario para permitir el movimiento delcontacto móvil, la única solución que se utilizaes el fuelle metálico. Generalmente se fabricaen acero inoxidable austenítico de poco grosor(típicamente 0,1 a 0,2 mm). Su diseño y el delas uniones por soldadura fuerte con el resto dela envolvente deben de ser esmeradamenteestudiadas para asegurar una resistenciamecánica elevada a pesar del efectodesfavorable de los ciclos térmicos impuestospor las operaciones de soldadura fuerte.

Por último, hay que citar otros materialesutilizados en pequeña cantidad, pero que jueganun papel importante en la obtención de un altovacío y de su conservación en el tiempo. Setrata de los «getters» (*) a base de metales(bario, circonio, titanio, etc.) muy activosquímicamente con la mayor parte de gases

susceptibles de encontrarse en los recintos devacío. Los «getter» (*) se activan, con altovacío, por calentamiento a una temperaturasuficiente para provocar la difusión de la capasuperficial «pasivada» en la masa y lageneración de una superficie metálica activacapaz de absorber las moléculas de gaspresentes en la ampolla. Esta operación deactivación se realiza durante la aspiración odespués del precintado de la cámara porsoldadura fuerte en vacío: el que puedadesarrollarse este último proceso, másindustrial que la aspiración, asegurando unacualidad de vacío satisfactoria, es unapropiedad especial de los materiales getters.

Elección de las sustancias del contacto

Un buen material del contacto, para una cámarade vacío, debe de responder a cierto número deexigencias:

ser buen conductor de la electricidad, queproporcione una baja resistencia de contacto,

tener una buena resistencia mecánica a loschoques repetidos que sufren los contactos alcerrar,

no formar soldaduras sólidas al cerrar encarga o en cortocircuito, para que el mecanismode apertura pueda separar los contactos y quela rotura de la zona soldada no produzcaexcesivos daños a su superficie,

producir pocos vapores metálicos durante lafase de arco para permitir una regeneracióndieléctrica rápida del espacio entre contactosdespués del corte, lo que implica:

– una presión de vapor poco elevada,

– una producción reducida de gotitas durantela fase de fusión del material,

tener buenas características dieléctricasdurante la fase de aplicación de la TTR, lo queimplica:

– superficie suficientemente lisa, sin asperezasnotables (β poco elevada),

– no existencia de puntos sobrecalentados queemitan por efecto termoiónico (caso de losmateriales refractarios con conductibidadtérmica reducida),

– sin propensión a formar partículas que sedesprendan fácilmente.

(N. del T.) Getter. 1) Sustancia, normalmente un metalcomo el titanio, evaporado sobre las paredes de un tubode vacío, vaso, etc. para absorber el gas residual y bajarla presión. 2) Quitar (un gas) por la acción de un getter.(The Collins English Dictionary, 1998).


permitir la existencia de puntos catódicosestables incluso con valores muy bajos decorriente a fin de minimizar los valores finalesde la corriente arrancada y las sobretensionesasociadas a este fenómeno, lo que requiere unapresión de vapor suficientemente elevada.

Hay que destacar que todas estas numerosascualidades requeridas resultan a vecesopuestas entre sí. Por tanto, hay que llegar a unequilibrio aceptable según las aplicaciones a lasque se destina, privilegiando las cualidades másimportantes, que son:

para los interruptores automáticos, elrestablecimiento dieléctrico después del cortedel arco con corriente elevada (buen poder decorte),

para los contactores, baja erosión y unacorriente final arrancada mínima (resistenciaeléctrica y reducción de las sobretensiones),

para los interruptores, la resistencia a lasoldadura y rigidez dieléctrica con tensioneselevadas (ausencia de recebado o rupturasdieléctricas).

Actualmente, el mejor compromiso se consiguecon los materiales compuestos, siendo las tresfamiliar de materiales siguientes las másutilizadas:

CuCr, para la utilización en interruptoresautomáticos,

AgWC, para la utilización en contactores,

WCu, para la utilización en interruptores,especialmente los destinados a la carga decondensadores de alta tensión.

De los compuestos CuCr se dice que son losmejores para su utilización en interruptoresautomáticos y no parece que puedan ser

destronados a corto plazo, aunque nunca puedeexcluirse una evolución.

Las proporciones que se utilizan pueden variarentre el 80 y 50% para el Cu, y el resto parael Cr.

Una proporción elevada de Cu favorece laconductividad eléctrica (baja resistencia decontacto) y térmico (buena evacuación de laenergía del arco).

Una proporción elevada de Cr es favorable parala resistencia a la soldadura y para la rigidezdieléctrica.

El contenido en gas del material de loscontactos debe de ser el menor posible, porquedurante la fusión o vaporizacion, este gas selibera en el espacio entre contactos y perjudicael corte. En cuanto a mantener el vacío, elefecto a largo plazo es menos perjudicial de loque podría pensarse a priori, porque el Crcondensado en las paredes de la cámara juegaun papel de «getter» y reabsorbe este gas.

Hay que indicar, por último, que el arcomodifica la capa superficial del material ymejora sus cualidades:

eliminando el gas e incluso los óxidos desuperficie,

produciendo una granulometría muy fina(precipitación del Cr fundido en la matriz decobre),

homogeneizando el material.

A veces, este efecto se califica de«acondicionamiento en corriente» (por analogíacon el acondicionamiento en tensión): engeneral, el comportamiento de los contactos y elresultado en cuanto al corte mejoran despuésde algunas maniobras de corte.


Sobretensión asociada a un corte ideal

Incluso en el caso teórico de un corte perfectomediante un interruptor automático ideal, laproducción de un cierto valor de sobretensioneses inherente a la interrupción de la corriente deun circuito inductivo. En efecto, los valores detensión en bornes de los diversos elementos delcircuito deben de alcanzar un estado nuevo deequilibrio correspondiente al estado abierto. Latransición desde el estado anterior, cerrado,produce, en el instante del corte (cero decorriente), oscilaciones alrededor de un nuevoequilibrio y provoca la aparición desobretensiones respecto a la tensión máximanormal de la red (figura 16).

En el caso de un corte trifásico, el hecho de queel corte no sea simultáneo en las tres fases,introduce además un régimen transitoriogenerador de sobretensiones. A título deejemplo, en caso de corte de una corriente decortocircuito en una red con neutro no puestodirectamente a la tierra, la tensión derestablecimiento en bornes del primer polo quecorta alcanza alrededor de 2,1 a 2,2 p.u. (TTRnormalizado CEI) y 2,5 p.u. para el corte de unabatería de condensadores con neutro aislado.

«Arranque» de la corrienteEl fenómeno más conocido y el más extendido,porque se refiere a todas las técnicas de corte,es el del «arranque» de la corriente: interrupciónprematura de la corriente alterna antes de supaso natural por cero. Este fenómeno afectasobre todo a los interruptores automáticos (queestán dimensionados para interrumpir lascorrientes de cortocircuito) cuando cortan bajascorrientes.

Los aparatos de corte en vacío (contactores,interruptores automáticos, interruptores) puedengenerar sobretensiones al abrir circuitosinductivos (transformadores en vacío, motoresen vacío o durante su arranque). Debido a lasespeciales propiedades del vacío, estassobretensiones pueden ser de distintanaturaleza que las producidas, en las mismas

i

i

E

L

t = 0

t = 0

Vx

Vx

Vx

Vy

(Vx -Vy)

2,0 p.u.

Vy

Vy

t

t

3 Corte en vacío y sobretensiones al abrir circuitos inductivos

circunstacias, por la aparamenta de corte queutiliza otros medios (aire, SF6, aceite...). Engeneral estas sobretensiones no suponen unproblema y no necesitan de disposicionesparticulares. Sin embargo, en el caso dereceptores sensibles (motores, por ejemplo) serecomienda prever dispositivos limitadores desobretensiones.

3.1 Los fenómenos generadores de sobretensiones

Fig. 16: Sobretensiones respecto a la tensión máximanormal de la red durante el corte de un circuito inductivo.

1 p.u. = tensión nominal fase-masa máxima

nU 2

3=


Si Ia es el valor de la corriente arrancada,corriente que circula por la carga coninductancia L inmediatamente antes de lainterrupción, la energía electromagnéticaalmacenada en la carga se transfiere en formade energía electrostática a la capacidad Csituada en bornes de la carga

I =2 2a

1 1L CV

2 2 .

Aparece un aumento de tensión, lado carga,que acentúa el desequilibrio respecto a lasituación de equilibrio con «circuito abierto» yamplifica las sobretensiones asociadas al corte(figura 17).

Estas sobretensiones son, por tanto,proporcionales al valor de la corriente arrancada

y a la impedancia característica LC de la

carga.

En el caso de corte en vacío, el arranque de lacorriente corresponde a la extinción prematuradel último punto catódico por su inestabilidadcon bajas corrientes: esta característicadepende principalmente de la naturaleza delmaterial de los contactos. En el cuadro de lafigura 18 se indican los valores medios decorriente arrancada para algunos materiales deuso frecuente.

En la práctica, los valores de corrientearrancada de algunos amperios, característicosde la sustancia CuCr, no tienen ningúnproblema. En cambio, los valores obtenidos con

el cobre puro son excesivos y explican, conotras consideraciones, que este metal no puedautilizarse tal cual.

Precebados y reencendidos múltiplesHay cebado entre los contactos cuando latensión aplicada es superior a la rigidezdieléctrica del intervalo. Este fenómeno esinevitable cuando este intervalo es muyreducido (al final del cierre y al principio deapertura).

El precebado al cierre es pues sistemáticocuando la maniobra se hace con tensión: elintervalo de tiempo entre el precebado y elinstante en que los contactos se tocan (tiempode prearco) depende de la velocidad de cierre ydel valor de la tensión aplicada cuando loscontactos se acercan.

El reencendido durante la apertura sólo seproduce si el tiempo de arco (intervalo detiempo entre la separación de los contactos y lainterrupción de la corriente) es corto: en estecaso, la separación de los contactos esinsuficiente para soportar la TTR y se producenrupturas dieléctricas repetidas.

u

u

ta

a

a

TTR ( = 0)

TTR ( > 0)

Ts

Fig. 18: Valores de corriente arrancada de algunosmateriales usuales (Cu, CuCr, AgWC).

Material Iarrancada Iarrancadamedia máxima

Cu 15 21

CuCr 4 8

AgWC 1 1,1

Fig. 17: Sobretensiones asociadas al corte de un circuito con arranque de corriente.

I= LVs:tensión de supresión a

C


Durante un precebado o un reencendido, ladescarga oscilante de las capacidades localesse traduce en una corriente de AF (decenas dekHz) que circulan entre los contactos, super-puesta a la corriente de frecuencia industrialque se establece progresivamente (nula antesdel cebado).

Estos fenómenos, inevitables, afectan a todoslos tipos de aparamenta. La particularidad de laaparamenta de corte en vacío es su capacidadde interrumpir la corriente de AF que sigue alcebado, mientras que otras técnicas de corteson generalmente incapaces, debido a los altosvalores de di/dt en el momento del paso porcero de la corriente.

La interrupción de la corriente AF produce unanueva TTR aplicada entre contactos, cuyaseparación sólo ha variado un poco, porqueestos fenómenos se producen en un lapso detiempo muy reducido, debido a la duración delmovimiento de los contactos, lo que produce,por tanto, un nuevo cebado y la repetición delos mismos fenómenos (figura 19). Hay unasucesión de cebados múltiples asociados a lasondas de tensión de amplitud variable, según laevolución de la separación de los contactos:

al cierre, la amplitud del tren de ondas desobretensión decrece linealmente, hasta que loscontactos se tocan,

a la apertura, las amplitudes son crecientes,hasta que la separación de los contactos seafinalmente suficiente para soportar la tensión derestablecimiento que, debido a un proceso desubida escalonada de la tensión, es siempremayor que la tensión correspondiente a un cortenormal. Los trenes de ondas de sobretensionesde frente abrupto, generados por estosfenómenos de cebados múltiples, quedan puessiempre limitados por la rigidez dieléctrica delespacio entre contactos, que juega el papel deun explosor. Sin embargo, esta limitación no esrealmente eficaz más que al cierre, pero encambio, a la apertura, los valores que sealcanzan pueden ser elevados (figura 20).

Las características de estos dos tipos defenómenos próximos se resumen en la tabla dela figura 21.

El inconveniente de estos trenes de ondas desobretensiones está más en su frente abruptoque en su amplitud. En efecto, estas ondas detensión con un tiempo de subida muy corto (delorden de 0,2 a 0,5 µs) no se distribuyen deforma homogénea en los arrollamientos de lostransformadores y de los motores, sino quesolicitan esencialmente las primeras espiras(figura 22). Por tanto, pueden provocar unadegradación y un envejecimiento acelerado delaislamiento entre estas primeras espiras.

u

i

t

t

ud(t)rigidez dieléctricadel espacioentre contactos

Fig. 19: Sucesión de cebados múltiples asociados a las ondas de tensión de amplitud variable.


Arranque de corriente virtual

En configuraciones particulares (que rara vez seencuentran en práctica), caracterizadas por ungran acoplamiento capacitativo/inductivo entrelas fases del circuito, los fenómenos dereencendidos múltiples en la primera fase quese intenta cortar llevan no sólo a oscilacionesde corriente de AF apreciables en la faseafectada, sino también en las fases próximas,aún recorridas por una corriente todavíanotable, porque está alejada de su cero natural.

Si las corrientes de AF inducidas alcanzan unaamplitud del mismo orden que la corriente afrecuencia industrial, se producen ceros decorriente («artificiales», pero muy reales y novirtuales). El aparato puede aprovechar parainterrumpir la corriente mucho antes de su ceronatural. En tal caso, las corrientes arrancadasse cifran en decenas y hasta centenas deamperios y las sobretensiones asociadas sonmuy elevadas. Una solución que se puedeproponer es decalar en adelanto la apertura deuno de los polos del aparato de manera que,durante el intervalo de tiempo en que se puedenproducir reencendidos múltiples, las otras dosfases todavía están cerradas y son por tantoinsensibles a las perturbaciones inducidas. Enla práctica, esta solución no ha sido aplicadapor los problemas que supone (acción nouniformemente repartida entre los polos duranteel corte de corrientes de cortocircuito) y por elcarácter excepcional del fenómeno.

V1 pordebajo de

25 kV

V2 pordebajo de

25 kV

V3 pordebajo de

25 kV

0.01 ms


Fig. 20: Fenómenos de cebados múltiples al separarse los contactos cortando pequeñas corrientes inductivas.

Fig. 22: Porcentaje de la sobretensión aplicada a laprimera espira del arrollamiento según su tiempo desubida.

Tipo de cebado Frecuencia Amplitud de lassobretensiones

Precebado al sistemático bajacerrar

Reencendidos al ocasional altaabrir

Fig. 21: Características de las sobretensiones debidas alos fenómenos de cebados múltiples.

0,10,1 0,2 0,4 0,7 1 2 4 7 10

0,2

0,4

0,7

1,0

Fracción de la sobretensiónaplicada a la 1ª espira delarrollamiento

Tiempo de subida (µs)


Materiales de contacto «blando»Para la aplicación a contactores, se hanprobado diversos materiales de contacto (porejemplo, AgWC, CuBi) que presentan un valormuy bajo de corriente arrancada. Este resultadose ha alcanzado asociando la baja conductivi-dad térmica y la gran tensión de vapor paraconseguir obtener puntos catódicos estableshasta con valores muy bajos de corriente.

Estas características van en contra del poder decorte: lo que es aceptable para su aplicación alos contactores, no lo es para los interruptoresautomáticos.

Además, el empleo de estos materiales sólo eseficaz para reducir las sobretensiones debidas alas corrientes arrancadas, que no tienenproblema en la práctica cuando no exceden dealgunos amperios (caso del CuCr).

Los materiales de contacto «blandos» noaportan ninguna mejora respecto a losmateriales clásicos «duros» (CuCr) en cuanto alos cebados múltiples. En efecto, estosmateriales son también capaces de interrumpirlas corrientes con elevados valores de di/dt y secaracterizan por una velocidad derestablecimiento dieléctrico más lenta despuésde la separación de los contactos (figura 23).Por tanto, los trenes de ondas desobretensiones de frente abrupto no soneliminados sino que al contrario, tienentendencia a durar más mucho tiempo que conmateriales más adecuados para el corte.

Corte sincronizadoUna solución teórica para eliminar estosfenómenos de reencendidos múltiples es elcontrolar el instante de apertura de loscontactos respecto a la onda de corriente paraevitar los tiempos de arco cortos. En la práctica,tiene problemas complejos de fiabilidad encuanto al tiempo respuesta del mecanismo demando, por lo que no se utiliza más que en elcampo de la MAT donde el control de lassobretensiones de maniobra puede justificar elsobrecoste de la aparamenta. En cambio, enMT, es más económico utilizar dispositivosadecuados para sobretensiones sólo cuandohay que proteger un receptor.

Dispositivos de protección por limitación delas sobretensionesComo se ha indicado anteriormente, elfenómeno más perjudicial es el de los cebadosmúltiples, que sobrecargan especialmente a las

primeras espiras de los arrollamientos deltransformador o del motor.

Hay que analizar por separado estos dos tiposde receptores.

En efecto, los transformadores están diseñadospara soportar los esfuerzos dieléctricosgenerados por descargas de rayo, que sonsobretensiones de frente abrupto, por lo quetienen un buen nivel de aislamiento en lasprimeras espiras del arrollamiento.

Por otra parte las corrientes inductivas ainterrumpir son bajas (transformador en vacío) ylas sobretensiones asociadas quedan limitadas.Por regla general, pues, no es necesario preveruna protección específica para lostransformadores maniobrados con aparamentade corte en vacío, salvo, eventualmente, paralos transformadores con aislamiento sólido,menos resistente que el de aceite.

Los motores tienen una rigidez dieléctricainferior a la de los transformadores, a pesar deque las corrientes a interrumpir pueden serelevadas (corte durante el arranque o con rotorbloqueado) y, por tanto, con sobretensionesseveras. En general, se recomienda colocardispositivos de protección en bornes del motor,sea el que sea el su dispositivo de mando,contactor o interruptor automático, y el materialde sus contactos. Estos dispositivos pueden sercondensadores que reducen la pendiente delfrente de subida de las sobretensiones, circuitosRC (típicamente C del orden de 0,1 a 0,5 µF y Rdel 10 a 50 Ω) y/o pararrayos (como limitadoresde sobretensiones) de ZnO.

00 100 200 300 400 500

2

4

6

8

10

12

14CuCr

AgWC

(kV)Tensión de perforación

Tiempos de separación de los contactos (µs)

3.2 Las medidas de protección contra las sobretensiones

Fig. 23: Evolución de la rigidez dieléctrica entrecontactos a partir del instante de su separación, segúnel tipo de material.


Las propiedades del vacío como medio de cortepara aparamenta eléctrica se resumen en latabla de la figura 24.

Estos puntos, fuertes y débiles, de la técnica decorte en vacío sirven para elegir su utilizaciónen los diversos campos de aplicación de laaparamenta eléctrica. En la presentación quesigue, se agrupan los campos de aplicación dela siguiente forma:

4 Los principales campos de aplicación del corte en vacío

valor de la tensión,

después, por función o por tipo deaparamenta de conexión,

por último, según el tipo de carga a conectar.

Este capítulo pasa pues sucesivamente revistaa los campos de aplicación

Campo Características Puntos fuertes Puntos débiles

Poder de Regeneración dieléctrica Corte de corrientes de Corte de corrientes AF durantecorte muy rápida. defecto severas con di/dt los recebados: generación de

de la TTR. sobretensiones, proteccionesnecesarias en ciertas redes.

Tensión (energía) de Endurancia eléctrica Sin efecto limitador en BT.arco baja. elevada.

Capacidad de corte Interrupción de la corrienteincluso sin en caso de cebado entredesplazamiento de contactos abiertoslos contactos. (compensa en parte la

falta de fiabilidad de larigidez dieléctrica.

Rigidez Influenciada por el estado Rigidez dieléctrica intrínsecadieléctrica de la superficie de los limitada en AT y susceptible

electrodos y la presencia de evolución en el tiempo.de partículas.

Influenciada por la fase Rigidez dieléctrica post cortede arco inmediatamente aleatoria: riesgo de recebadosprecedente. después de corte capacitativo

si la cámara es no-adaptada.

Paso de la Contactos de tipo «frontal», Necesidad de una presión decorriente no compensado. contacto elevada para evitar la

repulsión por efectoelectromagnético.

Contactos en vacío. Resistencia de contacto Tendencia a soldarse al cerrar.constante (no oxidacióny no degradación al cerrar).

Mismos contactos para Resistencia de los contactosel corte y el paso de la elevada: disipación térmicacorriente permanente, importante para grandes

calibres.

Medio de Vacío < 10–3 mbar. Sin productos de Imposibilidad de controlarcorte descomposición y de permanentemente el estado

efectos sobre el del vacío: el control dieléctricoentorno. periódico necesita la

desconexión.

Fig. 24: Propiedades del vacío como medio de corte.


La MT se utiliza esencialmente para distribuciónde la energía eléctrica, entre el transporte agran distancia, que se efectúa en AT, y lautilización, que se hace, sobre todo, en BT. Losvalores de tensión inferiores de la MT se utilizantambién para alimentar receptores de potenciaunitaria demasiado importante para la BT. EnMT, los principales tipos de aparamenta deconexión que se utilizan son los interruptores,los seccionadores, los interruptores automáticosy los contactores (figura 25).

Los interruptores son aparatos simples yrelativamente económicos que se utilizan en laexplotación normal de las redes eléctricas: semaniobran por orden de un operador y permitenestablecer o interrumpir la corriente en unelemento de la red. Son capaces de cortar lacorriente de carga normal del circuito en el queestán insertados, y de establecer la corriente dedefecto provocado por un cortocircuito situadoaguas abajo de su posición respecto a laalimentación eléctrica.

Los interruptores de uso general destinados alas redes de distribución MT, en los que lafrecuencia de las maniobras es baja, tienen, porconstrucción, una endurancia eléctrica ymecánica relativamente limitadas, típicamente:

un centenar de cortes con In,

un millar de maniobras mecánicas.

Para aplicaciones especiales, algunosinterruptores deben de ser capaces de soportaresfuerzos más severos, por ejemplo:

interruptores de hornos de arco, que seconectan frecuentemente con corrienteselevadas,

interruptores de escalones de condensadoresque actúan muy frecuentemente, y deben deestablecer las corrientes de conexión (defrecuencia y amplitud elevadas).

de MT (MT: 1 < U < 52 kV),de BT (BT: U < 1kV)y de AT (AT: U ≥ 52 kV).

El estudio más largo se reserva a la MT, queconstituye el campo de aplicación principal de la

técnica de corte en vacío. Los campos de la BTy AT se tratan con mucha menor extensión,porque las limitaciones intrínsecas de la técnicade corte en vacío sólo le permiten ocupar unaposición marginal: las técnicas dominantes son,en BT, el corte en aire y, en AT, el corte en SF6.

4.1 Las aplicaciones de la técnica de corte en el vacío en MT

Tipo de aparato Definición CEI Norma aplicablede conexión para MT

Interruptor Aparato de conexión capaz de establecer, mantener e interrumpir corrientes CEI 60265-1en las condiciones normales del circuito, incluidas eventualmente lascondiciones especificadas de las corrientes en condiciones anormalesespecificadas del circuito, tales como las de cortocircuito.(CEI 60050-441-14-10).

Seccionador Aparato de conexión que asegura, en posición abierto, una distancia de CEI 60126seccionamiento que satisface las condiciones especificadas.(CEI 60050-441-14-05).

Interruptor Aparato de conexión capaz de establecer, mantener e interrumpir CEI 60056automático corrientes en las condiciones normales del circuito, así como de

establecer, mantener durante un tiempo especificado e interrumpirlas corrientes en condiciones anormales especificadas del circuito,como las de cortocircuito.(CEI 60050-441-14-20).

Contactor Aparato de conexión que tiene una única posición de descanso, CEI 60470no operado con la mano, capaz de establecer, mantener e interrumpircorrientes en las condiciones normales del circuito, incluidas lascondiciones de sobrecarga en servicio. (CEI 60050-441-14-33).

Fig. 25: Definiciones normalizadas de los principales tipos de aparamenta.


Los seccionadores no son propiamente órganosde corte, puesto que maniobran sin carga(deben sin embargo ser capaces de interrumpircorrientes capacitivas residuales de los circuitosabiertos). Se utilizan para aislar un circuito delresto de la red y permitir que se trabaje conseguridad en el circuito. Por este motivo, debende tener una rigidez dieléctrica elevada entrecontactos y respetar las disposicionesconstructivas tendentes a evitar el franqueo dedistancia de seccionamiento incluso con lassobretensiones de la red. A pesar de estasdisposiciones, la seguridad de los que trabajanno está plenamente asegurada más que si elelemento de red, aislado por los seccionadores,está puesto a tierra de manera eficaz. Losseccionadores están asociados frecuentementea dispositivos que no cumplen la función deseccionamiento, como los interruptoresautomáticos y contactores. Sin embargo, losinterruptores son frecuentemente los mejoreselementos para abarcar también la función deseccionamiento: son, entonces, interruptores-seccionadores.

Los interruptores automáticos son los órganosde seguridad que protegen la red separandoautomáticamente las secciones de red condefecto o falta: son capaces de interrumpir lacorriente de cortocircuito máximo susceptible deaparecer en el punto donde están instalados.Los interruptores automáticos son, por tanto,interruptores con altas prestaciones, capaces de

maniobrar por orden de un operador o de undispositivo automático de protección quedetecte una situación de defecto. Estosaparatos deben de tener una alta fiabilidad,porque de su buen funcionamiento dependen laseguridad y la disponibilidad de la red.

Las endurancias eléctrica y mecánica exigidas alos interruptores automáticos son más elevadasque las de los interruptores, típicamente:

de 10 a 100 cortes con corriente decortocircuito,

de 2000 a 10000 maniobras mecánicas ycortes con In.

Los contactores son los órganos de mando delos receptores que funcionan de modointermitente, especialmente los motoreseléctricos. Son interruptores con una elevadacadencia de maniobras que deben de poderinterrumpir corrientes de sobrecarga máselevadas que la corriente nominal (por ejemplo,corriente de arranque o con rotor bloqueado),pero no las corrientes de cortocircuito que hande ser eliminadas por un dispositivo deprotección asociado (interruptor automático ofusibles). Su endurancia mecánica y eléctrica,elevadas, se cifra generalmente en centenaresde miles de maniobras.

El gráfico de la figura 26 permite visualizar laposición relativa de los cuatro tipos demecanismos descritos anteriormente.

1

10

100

1000

10000

100000

SeccionadorInterruptorautomático

Fusible

Interruptor Contactor

Aislar

Número demaniobras

Corto-circuitos

Maniobrascon corrientede servicio

Arranquede motores

Fig. 26: Posición específica de los cuatro tipos de aparatos en términos de corriente a cortar y del número demaniobras a efectuar.


Uno de los puntos fuertes de la técnica de corteen vacío es su aptitud para proporcionarpoderes de corte y endurancias eléctricaselevadas: por esta razón esta técnica se utilizasobre todo para los interruptores automáticos ylos contactores.

Utilización de los interruptores automáticosen MTLos interruptores automáticos requierennecesariamente un gran poder de corte. Lascámaras de vacío utilizadas para estaaplicación pueden utilizar tanto la tecnología decampo radial como la de campo axial. Una yotra permiten alcanzar los poderes de corte máselevados exigidos en MT (hasta 63 kA); portanto se utilizan en función de sus respectivasventajas (figura 12). Como el SF6, el vacíoproporciona para esta aplicación las ventajas deun corte estanco sin manifestación exterior y deun diseño sin mantenimiento, con unaendurancia eléctrica elevada.

La muy rápida regeneración dieléctrica delvacío puede constituir una ventaja respecto alSF6 en aplicaciones particulares en las que lavelocidad de subida de la TTR es mayor que laprescrita por las normas CEI 56 y ANSI C37-06(por ejemplo, el caso de un interruptorautomático conectado directamente alsecundario de un transformador de granpotencia). En tal caso, poco frecuente porquelas TTR normalizadas cubren la mayor parte delas aplicaciones, los interruptores automáticosde vacío necesitan una menor desclasificaciónque los interruptores automáticos SF6.

Para el corte en vacío sin aporte de energíaexterior, los interruptores automáticos de vacíorequieren menos energía de mando que losinterruptores automáticos de SF6 con auto-compresión. Por lo que se refiere a losinterruptores automáticos de SF6 con arcogiratorio o con auto-expansión, la diferencia esmenor. Sin embargo, esta ventaja escompensada por el inconveniente inherente a latécnica de vacío que no puede utilizar más quecontactos fronteles. Estos contactos necesitanpresiones de contacto elevadas para vencer larepulsión y la soldadura al cerrar sobre undefecto: las presiones de contacto necesariaspor polo son del orden de 200 daN para uninterruptor automático de 25 kA, y de 600 daNpara un interruptor automático de 50 kA. Estaexigencia obliga a aumentar la energía demando para el cierre y a reforzar la estructurade los polos que deben de soportar estosesfuerzos permanentes en posición cerrada.

Por otra parte, a pesar de las presiones decontacto elevadas, la utilización de contactosfronteles con materiales como CuCr no permiteobtener las resistencias de contacto tan bajascomo con contactos múltiples plateados: losinterruptores automáticos de vacío están portanto en inferioridad de condiciones respecto alos interruptores automáticos con SF6 por sumayor disipación térmica para grandesintensidades nominales (2500 A y superiores).Los contactos de la cámara de vacío, al abrigode la oxidación, no están limitados encalentamiento, a diferencia de los contactos deotros interruptores automáticos, pero el entornode la cámara debe de evacuar las caloríasproducidas por ésta, respetando lastemperaturas límite tolerables en los empalmesy contactos; por este motivo, los interruptoresautomáticos de vacío de gran calibre secaracterizan por conexiones y radiadoresespecialmente voluminosos. Independiente-mente de su entorno, las cámaras de vacíotambién están limitadas en calentamiento, nopor la naturaleza de los materiales que lascomponen o por su proceso de fabricación(soldadura fuerte a gran temperatura), sino porla posibilidad de penetración del gas a través delas paredes metálicas (en particular del fuelle)que llegan a ser significativas en cuanto alhidrógeno atmosférico a partir de 200-250ºC.

En conclusión, la técnica de corte en vacío seadapta bien los interruptores automáticos deuso general en MT y cubre el conjunto de lascualidades habitualmente exigidas en tensión,corriente nominal y poder de corte. Paraaplicaciones especiales, como mando de cargasinductivas o capacitivas, hay que tomarprecauciones particulares o utilizar otrastecnologías mejor adaptadas.

Utilización de contactores MTSe trata de una aplicación particularmente bienadaptada a la técnica de corte en el vacío quetiene, por tanto, conseguida una posicióndominante en este segmento. En efecto, lascorrientes a cortar se sitúan en la gama decorrientes fácilmente interrumpidas por un arcoen vacío en modo difuso, con contactos deformas simples y un bajo desgaste de materialdel contacto, y por tanto, una excelenteendurancia eléctrica. Las presiones de contactopueden ser bajas, debido a los valoresmoderados de las corrientes nominales y a lalimitación que hacen los fusibles de lascorrientes de defecto, además de que losmateriales de contacto utilizados son de muybaja soldabilidad, soportando, por tanto, uncierto grado de repulsión.


Las tensiones de alimentación de los motor MT,situadas en la parte baja de la MT (en general≤ 7,2 kV) permiten un desplazamiento muycorto de los contactos (del orden de 4 mm) y laconstrucción de cámaras compactas con unagran endurancia mecánica, que están particular-mente bien adaptadas al mando medianteelectroimán.

Todas estas ventajas explican el éxito de latécnica de corte en vacío para su utilización concontactores. Sin embargo, no hay que perder devista el riesgo de las sobretensiones durante laapertura de circuitos inductivos (motor duranteel arranque o transformadores en vacío),específica para el corte en vacío y la necesidadde instalar protecciones adaptadas (capítulo 3).Este problema, que afecta a todos los aparatosde corte en vacío, debe tenerse especialmenteen cuenta en el ámbito del mando de motores,que son receptores sensibles a lassobretensiones.

Utilización de interruptores yseccionadores MTLa técnica de corte en vacío, aplicable ainterruptores automáticos y contactores MT,tiene que tener necesariamente una respuestaadecuada a las necesidades más modestas delos interruptores. Sin embargo, para estaaplicación, esta técnica tiene un éxito limitado.En efecto, en general pueden ser válidos paraaplicaciones menos exigentes y de menor costeeconómico mediante las técnicas de corte enaire o en SF6. Pero esta función suele irasociada a la función de seccionamiento, quees más fácilmente realizable en técnica de corteen aire o en SF6. No resulta competitivo asociara un interruptor en vacío un seccionadorconvencional.

La imposibilidad de asegurar el seccionamientocon una cámara de vacío se debe al fenómenode desacondicionamiento en tensión provocadopor la degradación del estado de las superficiesde los contactos debido al efecto de lasmaniobras mecánicas y eléctricas. Este pérdidade calidad no permite garantizar la rigidezdieléctrica que se logra obtener, sin dificultadespecial, en una cámara nueva, con un procesode acondicionamiento en tensión. Por otraparte, la imposibilidad de controlarpermanentemente la integridad del mediodieléctrico en la cámara de vacío es también unfreno a su utilización como seccionador.

Con un interruptor, el cierre en cortocircuito esparticularmente perjudicial para la rigidez

dieléctrica entre sus contactos, porque a estecierre no le sigue un corte capaz de erosionarlas asperezas provocadas por la rotura de lasoldadura de los contactos debida al precebado.

Para evitar una degradación importante de surigidez dieléctrica, cuando se producen cierresconsecutivos en cortocircuito, los contactos delos interruptores se realizan con materiales demuy baja soldabilidad, como WCu, en vez deCuCr, utilizado para interruptores automáticos.

Para aplicaciones particulares que requieranuna gran endurancia eléctrica, (por ejemplo,interruptores para horno de arco), la técnica decorte en vacío tiene el máximo interés y es muyutilizada, aunque los problemas de lassobretensiones, propias del corte en vacío,pueden, en ciertos casos, hacer preferible latecnología SF6, a pesar de su peor endurancia.

Otra aplicación particular es el interruptor paraescalones de condensadores, que puede quedarasegurada por un interruptor automático de SF6estándar, pero que, con la técnica de vacío,necesita una cámara específica. En efecto, lacarga eléctrica del condensador induce unatensión de restablecimiento, que se aplica a losbornes del aparato de corte, especialmenteelevada. Ahora bien, la rigidez dieléctrica post-corte de una cámara de vacío no es su puntofuerte, debido a las posibilidades de rupturasdieléctricas provocadas por las partículasproducidas durante el corte (capítulo 2).

En el caso de escalones de condensadores enparalelo, que se conectan uno a unoprogresivamente, el riesgo de recebado seacentúa por efecto de la corriente de altafrecuencia debida a la descarga de loscondensadores contiguos sobre el que se estáconectando: esta corriente de conexión oenganche obliga a la utilización de un materialen los contactos de baja soldabilidad, del tipoWCu, incompatible con la función de interruptorautomático. Además, para evitar los intentos decorte de la corriente de AF de enganche durantela fase de precebado, que se traduce ensobretensiones perjudiciales para las bateríasde condensadores, hay que tomar diversasconfiguraciones: la adición de autoinduccionesde choque reduce la frecuencia de la corrientede enganche y el aumento de la velocidad decierre reduce la duración de precebado.

En síntesis: no hay que excluir la técnica decorte en vacío para el mando de cargascapacitivas, aunque otras técnicas, y enparticular el SF6, son mejores.


La técnica de corte en vacío, muy utilizada enMT para los interruptores automáticos ycontactores, es también capaz de servir paraesas mismas aplicaciones en BT. Sin embargo,es poco utilizada para estas tensiones. Enefecto, por una parte, entra en competencia conla técnica de corte en el aire, más simple,económica y mejor adaptada, y, por otra, losinconvenientes señalados en la utilización MT,son más molestos en BT.

El principal defecto del corte en vacío en BT,para la función interruptor automático, se debea la baja tensión de arco que no puede alcanzaro sobrepasar la tensión de red, como en uninterruptor automático de corte en aire: estatécnica no puede pues limitar la corriente dedefecto a un valor sensiblemente inferior a lacorriente de cortocircuito prevista. Este efectolimitador es especialmente útil porque permiteevitar los grandes esfuerzos electrodinámicosque se producirían con las corrientes decortocircuito presuntas, frecuentementeelevadas en BT (hasta a 100 kA o más). Esteefecto limitador facilita también la selectividadnatural entre interruptores automáticos, tantomás importante cuanto más pequeño sea elcalibre de los interruptores automáticos.

Por otra parte, los inconvenientes de lascápsulas de vacío ya mencionados para la MT,que se deben a la utilización de contactosfronteles (presión de contacto elevado y granresistencia de contacto), son más molestos enBT de potencia cuyos circuitos puedentransportar corrientes de cortocircuitoimportantes (no limitadas) y necesitan mayorescalibres que en MT.

Por último, el gran poder de corte necesario enBT obliga a un sobredimensionamiento de las

cámaras de vacío lo que las hace menosadecuadas que otras soluciones de corte al airepara los interruptores automáticos de pequeñocalibre.

Por todos estos motivos, la utilización decámaras de vacío en los interruptoresautomáticos BT se limita a un estrechosegmento que corresponde a las siguientesprestaciones:

poder de corte ≤ 75 kA,

calibres comprendidos entre 800 y 2500 A.

En este marco, aunque el corte en vacío no seamenos costoso que el corte en el aire, puede serinteresante por las siguientes razones:

corte estanco, sin manifestación exterior,

utilización en atmósfera contaminada,

endurancia eléctrica más elevada.

En utilización para contactores BT, ya no hayque mencionar los inconvenientes de lascámaras de vacío para la utilización comointerruptor automático. Los principales factoresque frenan el desarrollo de esta técnica en estecampo, son:

ante todo, la diferencia de coste en favor delas soluciones clásicas al aire,

a continuación, las características del vacíoen cuanto a las sobretensiones producidas alcortar, ya comentadas en el capítulo 3.

En resumen, en BT, la técnica de corte en vacíono está realmente en condiciones de competircon el corte en el aire, salvo en el casoparticular de corte estanco, que tiene unaventaja significativa.

4.2 Utilización del corte en vacío en BT

4.3 Utilización del corte en vacío en AT

En el campo de la AT, se puede considerar latécnica de corte en vacío para la función deinterruptor automático: hasta el momento, sehan hecho diversas tentativas sin éxitoconvincente. En efecto, parece que lascaracterísticas del corte en vacío no permitenrivalizar realmente con el corte en SF6 en AT.

Una de las primeras dificultades a superar es larealización de cápsulas de vacío de tensiónunitaria suficientemente elevada. Si por debajode los 36 kV se utilizan normalmente cámaras

de vacío capaces de cortar, hasta los 52 kV esfrecuente tener que utilizar dos cámaras enserie. En el momento actual, el valor de tensiónmás elevado para el que se comercializa uninterruptor automático dotado de una únicacámara por polo es de 72,5 kV.

Las cámaras destinadas a aplicaciones a123-145 kV, no han pasado, por ahora, la fasede prototipo, mientras que se fabrican cámarasde corte en SF6, hasta una tensión unitaria de420 kV.


La solución consiste en colocar un gran númerode cámaras en serie para alcanzar tensioneselevadas; a parte de los problemas técnicos quetiene (reparto de la tensión, fiabilidad...), nopuede evidentemente rivalizar económicamentecon el corte en SF6. El principal obstáculo parala obtención de única ampolla de vacío detensión unitaria elevada es el sobrepasar el«techo» de las prestaciones dieléctricas paraaltas tensiones de unos 500 kV (figura 4), quecorresponde al valor de resistencia a la descargade rayo que han de alcanzar los aparatos de123-145 kV. Actualmente, no se estáconsiderando ninguna solución tecnológica.

Por otra parte, la utilización del vacío contensiones unitarias elevadas se enfrenta alproblema de los rayos X, susceptibles de seremitidos por las cámaras sometidas a tensionesde servicio del orden del centenar de kV. Setrata de los valores de tensión que se aplica alas cámaras MT para acondicionarlas: estaoperación se efectúa en recintos blindados paraproteger los operadores contra la emisión derayos X. Con cámaras de diseño dieléctricoadaptado a la AT y ya acondicionadas, el valorde radiación emitido (en posición abierta)

debería ser aceptable, pero como elfuncionamiento de las cámaras puede provocarun desacondicionamiento parcial, estapreocupación no puede ser totalmentedescartada.

Por tanto, por las razones de limitación física, elcorte en vacío no puede pretender rivalizar conel SF6, más que para los más bajos valores detensión, dentro del campo de la AT y esto encondiciones económicas desfavorables. Paraaplicaciones muy particulares, la asociación deambas técnicas de corte, vacío y SF6, puedeconsiderarse, como ya se ha hecho para uninterruptor automático de 250 kV de corrientecontinua que utiliza una cámara de vacío enserie con una cámara de corte con SF6. Estasolución reúne las cualidades del vacío, para elcorte con di/dt y velocidades de aumento de laTTR inicial elevados, con las del SF6, que tomael relevo para asegurar la rigidez dieléctrica alfinal de la subida de la TTR. Para aplicacionesa interruptores automáticos AT corrientes, no esseguro que las soluciones híbridas puedanrivalizar económicamente con soluciones 100%SF6, aunque en el plano técnico estassoluciones son atractivas puesto que permitenasociar las cualidades de cada técnica de corte.


Para acabar esta panorámica, la técnica decorte en vacío se presenta, por sus buenasprestaciones en poder de corte y enduranciaeléctrica, como generalmente bien adaptadapara aplicaciones de interruptor automático ycontactor en MT.

Sin embargo, la técnica de corte en el SF6 sueleser preferible cuando las características que sebuscan son la rigidez dieléctrica, los bajosvalores de sobretensiones de maniobra o laaptitud para soportar corrientes permanenteselevadas.

Aunque madura, la técnica de corte en vacíotiene todavía un potencial notable de desarrollode sus cualidades, en particular con latecnología campo axial, relativamente reciente.Así, deberá seguirse persiguiendo la reduccióndel tamaño de las cámaras de los interruptoresautomáticos. Para esto, hay que avanzar en laoptimización de la utilización de la superficie delos contactos y en el aumento de lasdensidades de corriente admisibles. Con estosobjetivos, los principales ejes de investigaciónactual, son:

la modelización del arco y su interacción conel campo magnético axial,

5 Conclusión

los mecanismos de difusión y de reparto dela energía de arco en la superficie de loscontactos,

la mejora de las características de losmateriales de los contactos.

Para extender los campos de aplicación de latécnica de corte en vacío y explotar mejor suscualidades, los constructores de aparamentaconsideran también soluciones nuevas yparticularmente la asociación a otras técnicas,en particular la del SF6 , para conjugar susrespectivas ventajas. Esta aproximación ya seutiliza para ciertas celdas MT con aislamientogaseoso que unen las cualidades del corte envacío y las de aislamiento en SF6 .

Otra vía, aún poco explorada por el momento,es la realización de interruptores automáticosprocedes a una hibridación que asocian las dostécnicas de corte, en vacío y en SF6. A priorimás costosa, podría sin embargo revelarseinteresante en ciertos campos de aplicación sillega a conciliar eficazmente lo mejor de ambastecnologías.


Bibliografía

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Campo magnético axial

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Axial magnetic field type vacuumcircuitbreakers based on exterior coils and horseshoes. 1986. H. SCHELLEKENS, K. LENSTRA,J. HILDERINK, J. TER HENNEPE, J. KAMANS.IEEE 12th ISDEIV-Shoresh.

The current distribution and the magneticpressure profile in a vacuum arc subject to anaxial magnetic field. 1986. I. IZRAELI, R. L.BOXMAN, S. GOLDSMITH.IEEE 12th ISDEIV-Shoresh.

Effect of an axial magnetic field upon thedevelopment of the vacuum arc betweenopening electric contacts. March 1993.B. SCHULMAN, PAUL G. SLADE, J. V. R.HEBERLEIN.IEEE transactions on components, hybrids, andmanufacturing technology.

Evaluation of AC axial magnetic field neededto prevent anode spots in vacuum arcs betweenopening contacts. March 1994. BRUCESCHULMAN, JOHN A. BINDAS.IEEE transactions on components, packaging,and manufacturing technology.

Technological progress of axial magnetic fieldvacuum interrupters. 1996. K. WATANABE, E.KANEKO, S. YANABU.IEEE 17th ISDEIV-Berkeley.

Arc behaviour in axial magnetic fieldvacuuminterrupters equipped with an externalcoil. 1998. HANS SCHELLEKENS. IEEE 18thISDEIV-Eindhoven.


Materiales de contacto

Contact materials for vacuum switchingdevices. 1992. F. HEITZINGER, H.KIPPENBERG, K. E. SAEGER, K.-H.SCHRÖDER.IEEE 15th ISDEIV-Darmstadt.

Advances in material development for highpower, vacuum interrupter contacts. March1994.PAUL G. SLADE.IEEE transactions on components, packaging,and manufacturing technology.

Sobretensiones

Vacuum circuit-breaker application andswitching surge protection (in Circuitinterruption). 1984. JOHN F. PERKINS. MarcelDekker, inc.

Types of reignition following high frequencycurrent zero in vacuum interrupters with twotypes of contact material. 1992. R. P. P.SMEETS, T. FUNAHASHI, E. KANEKO, I.OHSHIMA.IEEE 15th ISDEIV-Darmstadt.

Mathematical modelling of the high frequencybehavior of vacuum interrupters and comparisonwith measured transients in power systems.1996. J. HELMER, M. LINDMAYERIEEE 17th ISDEIV-Berkeley.

Cuaderno Técnico nº 198 - Ingeniería de Sistemas y...

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