Cortar la corriente es una acción indispensable que hay que realizar en un circuito eléctrico, para garantizar la seguridad de las personas y de los bienes en caso de fallo, y también para controlar la distribución y la utilización de la energía eléctrica. El objetivo de este Cuaderno Técnico es que se conozcan mejor las ventajas, los inconvenientes y los campos de utilización de las técnicas de corte convencionales y nuevas en MT. Después de haber caracterizado las corrientes que hay que cortar y el propio corte desde un punto de vista teórico, el autor presenta el corte en el aire, el aceite, el vacío y el SF6, y termina con unas tablas comparativas. Actualmente la solución sigue siendo el corte gracias al arco eléctrico, bien sea en el SF6 o en el vacío; necesita una maestría y dominio de la tecnología que este Cuaderno Técnico invita a compartir.
1 Introducción
A partir de las centrales de producción, la energía eléctrica se transporta hacia los puntos de consumo por medio de una red eléctrica como la esquematizada la en la figura 1.
Es indispensable poder cortar la corriente en cualquier punto de la red por razones de explotación y de mantenimiento o para proteger la red cuando hay un fallo. Igualmente hace falta poderla restablecer en diversas situaciones normales o de defecto.
Para esto se emplean aparatos de desconexión, cuya elección depende de la naturaleza de las corrientes a cortar y del campo de aplicación (figura 2).
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Estas corrientes pueden clasificarse en tres categorías:
- Intensidades de carga, por principio inferiores
- iguales a la intensidad asignada Ir. La intensidad asignada Ir es el valor de la
intensidad que el material debe ser capaz de soportar indefinidamente en las condiciones prescritas de uso y de funcionamiento.
- Intensidad de sobrecarga, la intensidad que es superior a su valor asignado.
-Intensidad de cortocircuito, la que se produce después de un fallo en la red. Su valor depende de la potencia de la fuente, del tipo de fallo y de las impedancias aguas arriba del circuito.
Además, tanto en la apertura como en el cierre, así como en servicio continuo, todos estos aparatos están sometidos a esfuerzos:
- dieléctricos (tensión),
- térmicos (corrientes anormales y corrientes de fallo),
- electrodinámicos (corrientes de fallo),
- mecánicos.
Los esfuerzos más importantes están vinculados a los fenómenos transitorios que
intervienen en las maniobras y en los cortes con arco eléctrico de corrientes de fallo. Tienen un comportamiento difícil de determinar previamente a pesar de las técnicas actuales de modelización.
Así pues, los elementos que mayormente contribuyen al diseño de los aparatos de corte son la experiencia, el saber hacer y la experimentación. A estos aparatos se les llama «electromecánicos» puesto que, todavía hoy, el corte estático en medía y alta tensión no se vislumbra ni desde el punto de vista técnico ni económico.
Y, entre todos los aparatos de desconexión, los disyuntores son los más
interesantes puesto que son capaces de establecer, soportar e interrumpir corrientes en condiciones normales y anormales (cortocircuito).
En este Cuaderno Técnico, trataremos principalmente del corte de corriente alterna por disyuntor.
El ámbito de tensión considerado es el de MT (1k - 52 kV), pues es en estos niveles de tensión donde existe un mayor número de técnicas de
corte.
El estudio de los fenómenos que aparecen después del corte y del cierre constituye la primera parte de este documento.
La segunda parte presenta los cuatro tipos de técnicas de corte más extendidas actualmente, a saber: las técnicas de corte en el aire, el aceite, el vacío y el SF6.
2 El corte de corrientes de carga y de fallo
2.1 Principio del corte
Un aparato de corte ideal sería un aparato capaz de interrumpir la intensidad
instantáneamente. No hay ningún aparato mecánico que sea capaz de cortar la corriente sin la ayuda del arco eléctrico, que disipa la energía electromagnética del circuito eléctrico, limita las sobretensiones, pero retarda el corte total de la corriente.
El interruptor ideal
En teoría, poder interrumpir instantáneamente una corriente es ser capaz de pasar
directamente del estado conductor al estado aislante. La resistencia de este interruptor «ideal» debe pasar pues inmediatamente de cero a infinito (figura 3) .
Este aparato debería ser capaz de:
- absorber toda la energía electromagnética acumulada en el circuito antes del corte, o sea, en caso de cortocircuito,
Dada la naturaleza inductiva de las redes.
- soportar la sobretensión (L di/dt) que aparecería en sus bornes y que tendría un valor infinito si el paso aislante-conductor se hiciese en un tiempo infinitamente pequeño, lo que llevaría indudablemente a la descarga dieléctrica.
Imaginando que estas dificultades se eliminan por medio de una sincronización perfecta entre el paso natural por cero de la corriente y la transición aislante-conductor del aparato, todavía hay que superar otro fenómeno también
muy delicado: el de la tensión transitoria de restablecimiento (TTR).
En efecto, inmediatamente después de la interrupción de la corriente, la tensión (de restablecimiento) en los bornes del interruptor alcanza la tensión de red, que es máxima en este instante, para los circuitos inductivos. Esto ocurre sin una discontinuidad brutal por la presencia de capacidades parásitas en la red.
En este instante se establece un régimen transitorio que permite el ajuste de la tensión a la de la red. Esta tensión, llamada «tensión de las características de la red y su velocidad de crecimiento (dv/dt) puede ser considerable (del
orden de kV/µs). Simplificando, esto significa que, para afrontar el desafío del corte, el interruptor ideal debe poder soportar varios kV menos de un micro segundo después de la transición conductor-aislante.
Corte con el arco eléctrico
Dos razones explican la existencia de un arco:
- Es casi imposible separar los contactos exactamente en el cero natural de corriente debido a la incertidumbre medida-mando: para un valor eficaz de 10 kA, la corriente instantánea 1 ms antes alcanzar su cero vale todavía 3000 A. La sobretensión instantánea L di/dt que aparecería en los bornes del aparato si éste se transformara inmediatamente en aislante sería infinita y conllevaría la perforación inmediata del espacio intercontactos todavía pequeño.
n La separación de los contactos se debe hacer a una velocidad suficiente para que la resistencia dieléctrica entre los contactos sea superior a la tensión transitoria de restablecimiento. Esto necesita una energía mecánica próxima al infinito que en la práctica ningún aparato puede proporcionar.
Examinemos el proceso de corte con un arco eléctrico. Está constituido por tres períodos:
- el período de espera,
- el período de extinción,
- el período post-arco.
- El período de espera:
Antes del cero de corriente, los dos contactos se separan provocando la ruptura dieléctrica del medio intercontactos. El arco que aparece está constituido por una columna de plasma compuesta por iones y por electrones procedentes del medio intercontactos o de los vapores metálicos desprendidos por los electrodos
(figura 4). Esta columna se conserva conductora mientras que su temperatura sea suficientemente elevada.
Así el arco se mantiene por la energía que él mismo disipa por efecto Joule.
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La tensión que aparece entre los dos contactos por la resistencia del arco y por las caídas de tensión de superficie (tensiones anódica y catódica) se llama la tensión de arco (Ua).
Su valor, que depende de la naturaleza del arco, está influenciada por la intensidad de corriente y por los intercambios térmicos con el entorno (paredes, materiales, ...). Estos intercambios térmicos, que se realizan por radiación,
convección y conducción, son característicos de la potencia de enfriamiento del aparato.
La función de la tensión de arco es esencial, pues condiciona la potencia disipada por el equipo dentro del aparato durante el corte:
donde t0 es el instante de inicio del arco y tarc es el instante del corte.
En Media y Alta Tensión, ésta permanece siempre mucho más pequeña que las tensiones de red y por tanto no tiene efectos limitadores,
salvo artificios especiales desarrollados más adelante. El corte se realiza, pues, cerca del cero «natural» de la corriente alterna.
- El período de extinción
La interrupción de corriente que corresponde a la extinción del arco se hace en el cero de corriente a condición de que el medio se convierta rápidamente en aislante. Para esto, la corriente de moléculas ionizadas debe romperse. El
proceso de extinción se hace de la manera siguiente.
Cerca del cero de corriente, la resistencia del arco aumenta según una curva que depende principalmente de la constante de tiempo de desionización del medio intercontactos (figura 5).
En el cero de corriente, esta resistencia tiene un valor que no es infinito y todavía hay una corriente post-arco que atraviesa el aparato debido a la tensión transitoria de restablecimiento que aparece en sus bornes.
Si la potencia disipada por el efecto Joule sobrepasa la potencia de enfriamiento
característica del aparato, el medio no se sigue enfriando, se produce un embalamiento térmico seguido de una nueva ruptura dieléctrica: es una
ruptura térmica.
Si, por el contrario, el crecimiento de la tensión no excede un cierto valor crítico, la resistencia del arco puede aumentar con suficiente rapidez para que la potencia disipada en el medio permanezca inferior a la potencia de enfriamiento del aparato, evitando así el embalamiento térmico.
- El período post-arco
Para que el corte tenga éxito, también es necesario que la velocidad de regeneración
dieléctrica sea más rápida que la TTR (figura 6) de otro modo aparece una perforación dieléctrica. En el instante en que se produce la ruptura dieléctrica, el medio se convierte de nuevo en
conductor, lo que genera fenómenos transitorios que se expondrán en detalle más adelante.
Estas rupturas dieléctricas post-corte se llaman:
- reencendidos, si tienen lugar en el cuarto de período que sigue al cero de corriente,
- recebados, si se producen después
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- La TTR en las normas
Aunque la velocidad de crecimiento de la TTR tiene un papel fundamental en las capacidades de corte de los aparatos, su valor no puede determinarse con precisión para todas las configuraciones de red. La norma CEI 60056 define para cada tensión nominal un valor límite que corresponde a las necesidades que se
encuentran normalmente (figura 7).
Fig. 6: Curvas de regeneración dieléctrica en caso de El PdC de un disyuntor se define entonces, a su tensión asignada y con la TTR asignada correspondiente, como el valor de corriente más elevado que puede cortar. Por tanto, un disyuntor debe ser capaz de cortar toda corriente inferior a su PdC para toda TTR
cuyo valor sea inferior a la TTR asignada.
Apéndice
Terminología
Ur: Tensión asignada que corresponde al valor eficaz de la tensión que el aparato debe ser capaz de soportar indefinidamente en las condiciones prescritas de empleo y de funcionamiento.
Icc: Corriente de cortocircuito.
Ir: Corriente asignada que corresponde al valor eficaz de la corriente que el aparato debe de ser capaz de soportar indefinidamente en las condiciones prescritas de empleo y de funcionamiento.
Aparato de conexión: Aparato destinado a establecer o interrumpir la corriente en un circuito eléctrico.
Aparamenta: Término general que se aplica a los aparatos de conexión y a su combinación con los aparatos de mando, de medida, de protección y de ajuste que se le asocian.
Constante de tiempo de desionización: Referido a la resistencia del arco, tiempo necesario para doblar su valor admitiendo que su velocidad de variación se mantiene constante.
Cortocircuito: Conexión accidental o intencionada, a través de una resistencia o una impedancia relativamente baja, de dos o más puntos de un circuito que están normalmente a tensiones diferentes.
Defecto: Modificación accidental que afecta al funcionamiento normal.
Defecto a tierra: Defecto debido a la conexión directa o indirecta de un conductor con tierra o a la disminución de su resistencia de aislamiento a tierra por debajo de un valor especificado.
Factor de sobretensión: Razón del valor de cresta de la sobretensión al valor de cresta de la tensión máxima de la tensión admitida por un aparato.
Poder de corte (PdC): Corriente presunta que un aparato de conexión debe ser capaz de interrumpir en condiciones previstas de empleo y de comportamiento.
Reencendido: Restablecimiento de la corriente entre los contactos de un aparato mecánico de conexión durante una maniobra de corte, antes de un cuarto de período después del paso por cero de la corriente.
Recebado: Restablecimiento de la corriente entre los contactos de un aparato mecánico de conexión durante una maniobra de corte, después de un cuarto de período después del paso por cero de la corriente.
Sobretensión: Toda tensión entre un conductor de fase y tierra o neutro, o entre dos conductores de fase, cuyo valor de cresta sobrepasa el valor de cresta correspondiente a la tensión más elevada para el material.
Tensión transitoria de restablecimiento -TTR-: Tensión de restablecimiento entre los contactos de un aparato de conexión durante el tiempo en el que presenta un carácter apreciablemente transitorio.
Valor asignado: Valor de una magnitud, fijada generalmente por el fabricante, para un funcionamiento específico de un componente, dispositivo o material.
Bibliografía «Reproducción del Cuaderno Técnico nº 193 de Schneider Electric».