Formación de arcos en disyuntores: causas, métodos de interrupción del arco y cuándo preocuparse

Saque un disyuntor de caja moldeada disparado de un panel y, a menudo, encontrará hollín o decoloración alrededor de los contactos. Eso por sí solo no significa que el interruptor esté fallando. La formación de arcos dentro de un disyuntor es una parte diseñada de la interrupción de corriente: cada vez que un disyuntor abre un circuito activo, un arco controlado une los contactos de separación durante unos milisegundos hasta que el sistema de extinción de arco lo extingue. Lo que importa es si el arco permaneció dentro de los componentes construidos para contenerlo. Un arco confinado a una cámara de arco o a un interruptor de vacío es una operación normal. Un arco en un terminal suelto, a través de un aislamiento agrietado o dentro de un gabinete que nunca está clasificado para ello es una condición de falla y una de las principales causas de incendios eléctricos. Este artículo explica por qué se forma el arco, cómo lo extinguen los disyuntores, cómo distinguir un arco diseñado de un arco peligroso y qué significan esas diferencias al especificar equipos de conmutación para un proyecto de distribución.

¿Qué es realmente la formación de arcos en un disyuntor?

Un arco es una columna de gas ionizado, o plasma, que conduce corriente a través de un espacio físico. Cuando los contactos se separan bajo carga, el último punto de contacto del metal se funde y se vaporiza, y la corriente sigue fluyendo a través de ese vapor. El núcleo del arco corre por encima de los 6.000 K, más caliente que la superficie del sol, y puede sostenerse a través de un espacio de varios milímetros. Desde la perspectiva del circuito, el arco es simplemente un conductor que mantiene vivo el camino de la corriente. Desde la perspectiva del hardware, es una fuente de calor concentrada que erosiona el material de contacto y produce la mayor parte de la presión y el estrés térmico que un interruptor debe sobrevivir durante una falla. Es por eso que el trabajo de un interruptor nunca se describe como detener la corriente instantáneamente. Se describe como controlar el arco, enfriarlo y forzar la corriente a un cero limpio.

Por qué el arco se forma en el momento en que se abren los contactos

Dos hechos físicos hacen que el arco sea casi inevitable. Primero, todo circuito real contiene inductancia y la corriente que pasa por un inductor no puede cambiar instantáneamente. Forzar la corriente a cero en tiempo cero produciría un pico de voltaje lo suficientemente grande como para volver a alcanzar el espacio de apertura, por lo que el arco es la forma en que el circuito mantiene el flujo de corriente mientras se disipa la energía almacenada en la inductancia. En segundo lugar, la brecha de contacto se ioniza por sí sola: la emisión de electrones en el cátodo y el vapor de metal caliente que queda crean un camino conductor a los microsegundos de la separación.

Los circuitos de CA y CC se comportan aquí de manera muy diferente. En un circuito de CA, la corriente pasa por cero dos veces por ciclo y la tarea del disyuntor es evitar el reencendido después de un cruce por cero. En un circuito de CC no existe un cero natural, por lo que el disyuntor debe impulsar el voltaje del arco por encima del voltaje de la fuente para forzar la corriente hacia abajo. Esta es la razón principal por la que un disyuntor clasificado para CA no puede interrumpir automáticamente el mismo nivel de corriente CC y por qué las aplicaciones de CC requieren dispositivos con una clasificación de CC dedicada.

Arco diseñado versus arco peligroso

Los fabricantes diseñan interruptores asumiendo que se producirán arcos en los contactos y que se deben confinar, enfriar y eliminar en milisegundos. La formación de arcos en cualquier otro lugar es un defecto. Las conexiones de terminales flojas son el problema más común: los ciclos térmicos aflojan los pernos, la resistencia de contacto aumenta y la unión comienza a formar arcos y arder bajo carga. El aislamiento agrietado o contaminado permite el seguimiento, en el que un camino conductor carbonizado crece lentamente a través de una superficie hasta que se enciende.

Señales de advertencia que exigen acción

• Marcas de quemaduras, hollín o derretimiento en la línea o en los terminales de carga en lugar de dentro de los componentes de interrupción sellados.
• Un olor a quemado persistente durante el funcionamiento normal, no sólo después de una falla grave
• Zumbidos, silbidos o chisporroteos cerca del interruptor, lo que puede indicar la formación de un arco en un espacio que no debería existir.
• Aislamiento del conductor descolorido o marcas de calor en las superficies de los paneles adyacentes
• Disparos molestos repetidos en un circuito cuya carga no ha cambiado
• Rutas de seguimiento carbonizadas visibles en la carcasa del interruptor o en el aislamiento del panel

Cualquiera de estos signos justifica desenergizar el circuito e inspeccionar la conexión, el conductor y el disyuntor antes de que vuelva a estar en servicio.

Cómo los disyuntores extinguen el arco

Chutes de arco, placas Deion y soplado magnético

En los diseños con rotura de aire, un corredor de arco guía el arco lejos de los contactos y hacia un conducto de arco, una pila de placas de acero. El conducto divide un arco largo en una serie de arcos cortos, y cada placa agrega una caída de voltaje del ánodo y del cátodo mientras sus superficies enfriadas aumentan la resistencia del arco y absorben calor. Cerca del siguiente cero actual, la brecha desionizada ya no puede sostener el arco y la corriente se detiene. Las bobinas de explosión magnéticas agregan una fuerza electromagnética que impulsa el arco hacia el conducto rápidamente, limitando la duración de la combustión de los contactos.

Contactos principales y contactos de arco de sacrificio

Muchos disyuntores utilizan dos juegos de contactos en paralelo. Los contactos principales, fabricados con aleaciones a base de plata de baja resistencia, transportan la corriente de carga continua. Los contactos de arco de sacrificio, típicamente aleaciones de tungsteno-cobre o plata-tungsteno que resisten la erosión, se cierran primero y se abren al final. El arco ardiente se adhiere al par de sacrificio, por lo que la erosión aterriza donde puede ser tolerada y medida, no en las superficies de precisión que soportan la carga. La verificación del desgaste de los contactos de arco es un elemento estándar en el mantenimiento de interruptores de media tensión.

Comparación de medios de interrupción: aire, vacío y gas

El medio de interrupción determina en gran medida qué tan rápido muere el arco, cuánto mantenimiento necesita el dispositivo y a qué clase de voltaje sirve.

En la distribución de media tensión, la interrupción del vacío se ha convertido en la opción principal: el arco se extingue en el primer cero de corriente, el desgaste de los contactos es mínimo y no hay gas que monitorear o rellenar. La construcción extraíble y revestida de metal mantiene el interruptor en vacío accesible para pruebas y reemplazos periódicos.

Tablero de distribución blindado extraíble con gabinete metálico de 24 kV Este tablero de distribución de media tensión KYN28A-24 utiliza una construcción revestida de metal extraíble con un disyuntor de vacío VS1 y enclavamiento de cinco prevenciones, lo que coincide con el punto del artículo de que dichos diseños mantienen los interruptores accesibles para realizar pruebas. Clasificado 630–3150A con resistencia de corta duración de hasta 31,5 kA. Ver producto →

Cómo hacer coincidir el rendimiento de Arc con su decisión de compra

Los estándares enmarcan la selección. Los disyuntores de baja tensión se prueban según IEC 60947-2 o UL 489, mientras que los disyuntores de media tensión y los tableros de distribución con envolvente metálica siguen las normas IEC 62271-100 e IEC 62271-200. La cifra decisiva es la capacidad de corte: Icu es la corriente de falla final que un interruptor puede interrumpir, e Ics es la parte de esa corriente que puede interrumpir repetidamente y permanecer en servicio. Una especificación sólida dimensiona la capacidad de corte nominal por encima de la corriente de falla potencial en el punto de instalación, con margen para el crecimiento futuro de la red.

El riesgo de adquisiciones se concentra en tres lugares. Un dispositivo con clasificación CA aplicado a un circuito CC no eliminará el arco. Una clasificación de interrupción por debajo de la corriente de falla disponible deja al equipo incapaz de eliminar un cortocircuito de manera segura. Y los equipos basados ​​en SF6, si bien son técnicamente sólidos, se enfrentan a normas más estrictas sobre gases fluorados en muchos mercados, lo que empuja a los compradores a sopesar las construcciones sin SF6 en función de los objetivos de cumplimiento y sostenibilidad.

Para diseños compactos de anillo principal, las unidades principales de anillo de SF6 siguen estando ampliamente utilizadas, pero las mezclas de gases con menor impacto ambiental están ganando terreno donde las regulaciones restringen el uso de SF6.

Unidad principal de anillo aislado con gas SF6 Una unidad principal en anillo de acero inoxidable completamente sellada con barras colectoras extensibles blindadas y aisladas y configuraciones modulares de 2 a 6 vías, adecuada para redes urbanas alimentadas por cable. Ilustra la opción de anillo principal de SF6 ampliamente utilizada que el artículo contrasta con mezclas de gases de menor impacto. Ver producto →

Los diseños de aislamiento sólido van un paso más allá: el interruptor de vacío apaga el arco mientras que la resina epoxi fundida reemplaza completamente al gas como dieléctrico, eliminando de la ecuación de mantenimiento la manipulación del SF6, el monitoreo de fugas y la recuperación del gas al final de su vida útil. Para proyectos con estrictos objetivos medioambientales, esta construcción merece un lugar en la lista corta.

Unidad principal de anillo inteligente de aislamiento sólido El GTXGN-12 reemplaza el aislamiento de gas con aislamiento compuesto sólido, utilizando módulos independientes por fase y controladores FTU opcionales para actualizaciones por etapas. Se ajusta a la discusión del artículo sobre alternativas sin SF6, que ofrecen clasificaciones de hasta 12/24 kV y una capacidad de corte de 25 kA. Ver producto →

Para ver más de cerca el costo de vida útil, el rendimiento y las compensaciones de las aplicaciones, este Guía de selección de disyuntores de vacío. Cubre los detalles que vale la pena comparar antes de comprar.

Prácticas de mantenimiento que mantienen contenidos los arcos

1. Mida la resistencia de contacto en cada polo durante la puesta en servicio y en intervalos establecidos; los valores se sitúan en el rango de microohmios y una tendencia creciente apunta a erosión por contacto o uniones sueltas.
2. Registre el contador de operaciones según el cronograma del fabricante, ya que cada interruptor tiene límites de servicio mecánicos y de cortocircuito.
3. Verifique el torque de los terminales en cada terminal después de los primeros meses de servicio, porque los ciclos térmicos aflojan las conexiones.
4. Inspeccione los conductos de arco en los dispositivos de corte de aire para detectar placas agrietadas o muy depositadas y reemplácelos en lugar de limpiarlos indefinidamente.
5. Escanee las conexiones energizadas con una cámara térmica bajo carga para detectar puntos calientes antes de que comience la formación de arcos.

Comparar medios de interrupción, calificaciones y mantenibilidad es más fácil dentro de un solo catálogo; revisando un completo aparamenta de alta tensión La alineación lado a lado hace que esas compensaciones sean concretas.

Un interruptor que forma un arco solo durante la interrupción diseñada, dentro de los componentes clasificados para ello, está haciendo exactamente aquello para lo que fue construido. La evidencia de formación de arcos en cualquier otro lugar es una alerta temprana sobre la cual vale la pena actuar. Tratarlo de esa manera y especificar deliberadamente la interrupción de las clasificaciones, los medios y el acceso de mantenimiento en el momento de la compra mantiene el arco donde pertenece.