16 mayo 2015

Interruptores

Un interruptor es un dispositivo que puede

  • Cerrar o romper un circuito, ya sea manualmente o por control remoto, en condiciones normales.
  • Romper un circuito de forma automática en caso de falla.
  • Cerrar un circuito, ya sea manualmente o por control remoto en caso de falla.

Así, un interruptor de circuito incorpora manual (o el control remoto), así como de control automático para funciones de conmutación. La última de control emplea relevadores y opera sólo bajo condiciones de falla.

Principio de operación. Un interruptor de circuito consiste esencialmente en contactos fijos y móviles, llamadas electrodos. En condiciones normales de funcionamiento, estos contactos permanecen cerrados y no se abrirán de forma automática hasta ya menos que se presente una falla en el sistema. Por supuesto, los contactos se pueden abrir manualmente o por control remoto siempre que se desee. Cuando se produce un falla en cualquier parte del sistema, las bobinas de disparo de el interruptor se energizan y los contactos móviles se separan por algún mecanismo, para abrir el circuito.

Cuando los contactos de un interruptor de circuito se separan en condiciones de falla, se produce un arco entre ellos. La corriente es por lo tanto capaz de continuar hasta que el flujo cesa. La producción de arco no sólo retrasa el proceso de interrupción de la corriente sino que también genera enorme calor que puede causar daños en el sistema o para el interruptor de circuito en sí. Por lo tanto, el principal problema en un interruptor es extinguir el arco en el menor tiempo posible, de manera que el calor generado por los que puede no llegue a un valor peligroso.

Fenómeno del Arco
Cuando se produce un corto-circuito, una alta corriente fluye a través de los contactos del interruptor de circuito antes que se abran por el sistema de protección. En el instante cuando los contactos comienzan a separarse, el área de contacto disminuye rápidamente y causa que aumente la intensidad y por lo tanto se eleva la temperatura. El calor producido entre los contactos (por lo general el medio es el aceite o aire) es suficiente para ionizar el aire o vaporizar y ionizar el aceite. El aire o vapor ionizados actúa como conductor y se forma un arco entre los contactos. El P. D. entre los contactos es muy pequeña y suficiente para mantener el arco. El arco proporciona una trayectoria de baja resistencia y en consecuencia la corriente en el circuito permanece ininterrumpida, siempre y cuando persista el arco. Durante el período de formación de arco, la corriente que fluye entre los contactos depende de la resistencia de arco. Cuanto mayor es la resistencia de arco, menor es la corriente que fluye entre los contactos. La resistencia del arco depende de los siguientes factores:

  • Grado de ionización- la resistencia de arco aumenta con la disminución en el número de partículas ionizadas entre los contactos.
  • Longitud del arco- aumenta la resistencia de arco con la longitud del arco es decir, la separación de contactos.
  • Sección transversal de la resistencia de arco- la resistencia de arco aumenta con la disminución del área de sección X de el arco.
Principios de extinción del Arco
Antes de discutir los métodos de extinción del arco, es necesario examinar los factores responsables de el mantenimiento de arco entre los contactos. Estos son:
  •  P.D. entre los contactos
  • Partículas ionizadas entre contactos 
Tomando esto en cuenta:
  • Cuando los contactos tienen una pequeña separación, la pd entre ellos es suficiente para mantener el arco. Una forma de extinguir el arco es separar los contactos a una distancia tal que pd se convierte en inadecuado para mantener el arco. Sin embargo, este método no es práctico en sistemas de alta tensión donde pueda ser necesaria una separación de muchos metros.
  • Las partículas ionizadas entre los contactos tienden a mantener el arco. Si se desioniza la trayectoria del arco, la extinción del arco se verá facilitada. Esto puede conseguirse mediante el enfriamiento del arco o interrumpir físicamente las partículas ionizadas desde el espacio entre los contactos.
Métodos de Extinción del Arco
Hay dos métodos de extinción del arco en los interruptores a saber.

1. Método de alta resistencia. 
2. Baja resistencia o método corriente cero.

1. Método de alta resistencia. En este método, se hace resistencia al arco a aumentar con el tiempo tan
que la corriente se reduce a un valor insuficiente para mantener el arco. En consecuencia, la corriente se interrumpe o el arco se extingue. La principal desventaja de este método es que una enorme energía se disipa en el arco. Por lo tanto, se emplea únicamente en interruptores de corriente continua y de corriente alterna de baja capacidad.

La resistencia del arco puede ser aumentada por:
  • El alargamiento del arco. La resistencia del arco es directamente proporcional a su longitud. La longitud del arco se puede aumentar mediante el aumento de la distancia entre los contactos.
  • Enfriar el arco. El enfriamiento ayuda en la desionización del medio entre los contactos. Esto aumenta la resistencia al arco. Un enfriamiento eficiente puede obtenerse por una explosión de gas dirigido a lo largo del arco.
  • La reducción de sección X del arco. Si se reduce el área de la sección X del arco, el voltaje necesaria para mantener el arco se incrementa. En otras palabras, la resistencia de la trayectoria de arco es aumentado. La sección transversal del arco se puede reducir al permitir que el arco pase a través de una estrecha abertura o por tener menor área de los contactos.
  • La división de la arco. La resistencia del arco puede ser aumentada mediante la división del arco en una número de arcos más pequeños en serie. Cada uno de estos arcos experimenta el efecto de alargamiento y enfriamiento. El arco puede dividirse mediante la introducción de algunas placas conductoras entre el contactos.
2. Método de baja resistencia o corriente cero. Este método se emplea solamente para la extinción del arco en circuitos de corriente alterna. En este método, la resistencia de arco se mantiene baja hasta que la corriente es cero cuando el arco se apaga se evita de forma natural y se previene el reencendido a pesar de la tensión creciente entre los contactos. Todos los interruptores de corriente alterna de alta potencia modernos emplean este método para la extinción del arco. En un sistema de corriente alterna, la corriente cae a cero después de cada medio ciclo. En cada corriente cero, el arco extingue por un breve momento. En ese momento, el medio entre los contactos contiene iones y electrones de modo que tenga pequeña resistencia dieléctrica y puede ser fácilmente descompuesto por el aumento de la tensión de contacto conocida como tensión de reencendido. Si se produce tal rompimiento, el arco se mantendrá otro medio ciclo.
Si inmediatamente después de corriente cero, la fuerza dieléctrica del medio entre los contactos se incrementa más rápidamente que el voltaje a través de los contactos, el arco no reenciende y la corriente es interrumpida. 

El rápido aumento de la fuerza dieléctrica del medio cerca de cero de corriente puede ser logrado:
  1. Haciendo que las partículas ionizadas en el espacio entre los contactos para recombinarse en moléculas neutrales.
  2. Quitar las partículas ionizadas y sustituirlas por las partículas de no-ionizadas.
Por lo tanto problema real en la interrupción de corriente alterna es deionizar rápidamente el medio entre contactos tan pronto como se convierte en la corriente cero, de modo que el aumento de la tensión de contacto o el voltaje de reencendido no pueda romper el espacio entre los contactos. 

La de-ionización del medio se puede lograr a través de:
  • El alargamiento de la separación. La rigidez dieléctrica del medio es proporcional a la longitud de la separación entre los contactos. Por lo tanto, mediante la apertura de los contactos rápidamente, se puede lograr mayor fuerza dieléctrica constante.
  • Alta presión. Si se aumenta la presión en la proximidad del arco, la densidad de la partículas que constituyen la descarga también se incrementa. El aumento de la densidad de partículas causas mayor tasa de de-ionización y por consiguiente la resistencia dieléctrica del medio entre contactos se incrementa.
  • Enfriamiento. La combinación natural de partículas ionizadas se lleva a cabo con mayor rapidez si se les permite enfriar. Por lo tanto, la fuerza dieléctrica del medio entre los contactos puede ser aumentado por enfriamiento del arco.
  • Por efecto explosión. Si las partículas ionizadas entre los contactos son barridas y sustituidas por partículas sin ionizar, la fuerza dieléctrica del medio se pueden aumentar considerablemente. Esto puede ser logrado por una explosión de gas dirigido a lo largo de la descarga o forzando aceite en el espacio de área de contacto.

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