90557141 manual cfe interruptores potencia

COORDINADORA DE TRANSMISIN Y TRANSFORMACIN

MANUAL DE INTERRUPTORES DE POTENCIADIRECTORIO ING. ALFREDO ELAS AYUB DIRECTOR GENERAL

ING. ARTURO HERNNDEZ LVAREZ DIRECTOR DE OPERACIN

ING. ENRIQUE ROSALES GIL SUBDIRECTOR TRANSMISIN, TRANSFORMACIN Y CONTROL

ING. NO PEA SILVA COORDINADOR TRANSMISIN Y TRANSFORMACIN

ING. JUAN BAUTISTA FLORES GERENTE SUBESTACIONES Y LNEAS DE TRANSMISIN

MXICO D.F., MARZO 2003

COORDINADORA DE TRANSMISIN Y TRANSFORMACIN

MANUAL DE INTERRUPTORES DE POTENCIAPUBLICADO POR: GERENCIA DE SUBESTACIONES Y LNEAS DE TRANSMISIN

DEPENDIENTE DE LA COORDINADORA DE TRANSMISIN Y TRANSFORMACIN

RESPONSABLE DE LA PUBLICACIN CFE: ING. GILBERTO PANIAGUA GARCA

PARTICIPANTES: REAS DE TRANSMISIN Y TRANSFORMACIN

EDITADO POR: INSTITUTO DE INVESTIGACIONES ELCTRICAS

MXICO D.F., MARZO 2003

PRESENTACINA nivel mundial la electricidad es una de las palancas fundamentales para el desarrollo de los pases, Mxico no es la excepcin, el crecimiento del sector elctrico a seguido una ruta paralela al desarrollo y avance tecnolgico del pas, la demanda de la energa elctrica crece en forma exponencial con el transcurso del tiempo. Lo anterior ha obligado a la Comisin Federal de Electricidad, a construir lneas de alta tensin para el transporte de grandes bloques de energa, de las centrales generadoras hasta los centros de consumo; as mismo para hacer ms econmica y eficiente su transformacin y distribucin se han construido subestaciones de potencia elevadoras y reductoras aprovechado las nuevas tecnologas. El interruptor de potencia es uno de los elementos fundamentales en el Sistema Elctrico Nacional, cuya funcin es asegurar el flujo continuo de corriente en condiciones normales de operacin, y en el caso de falla interrumpir dicho flujo aislando el elemento de falla y protegiendo al personal y resto del equipo. Este Manual de Interruptores de Potencia, contiene informacin de rpido acceso, para resolver problemas de operacin, mantenimiento, puestas en servicio y pruebas elctricas, para consulta del personal tcnico de las reas de la Comisin Federal de Electricidad. Este documento muestra la preocupacin de los directivos de Comisin Federal de Electricidad, por difundir sin restricciones y promover la aplicacin de nuevas tecnologas en forma consistente y homognea en todos los mbitos de la empresa a fin de optimizar los procesos de Generacin, Transmisin y Distribucin. Para mantener actualizado este manual, es conveniente su mantenimiento cada cinco aos, con nuevos procedimientos de mantenimiento y operacin, segn las nuevas tecnologas en interruptores de potencia, equipo de prueba y experiencia de campo.

CONTENIDO 11.1

INTRODUCCININTRODUCCIN ............................................................................................ 1-1

22.1

OBJETIVOOBJETIVO ....................................................................................................... 2-1

33.1 3.2

EL ARCO ELCTRICO EN EL INTERRUPTORINTRODUCCIN .......................................................................................... EL ARCO ELCTRICO ...............................................................................3.2.1 3.2.2 3.2.3 3.2.4 3.2.5 3.2.6 Fsica de la materia ....................................................................................... Ionizacin .................................................................................................... Desionizacin .............................................................................................. Cada de tensin del arco ............................................................................. Comportamiento trmico ............................................................................. Prdidas de calor del plasma .......................................................................

3-1 3-23-2 3-2 3-3 3-3 3-6 3-6

3.3 3.43.4.1 3.4.2

INTERRUPCIN DE CIRCUITOS DE C.D. Y C.A................................. MTODOS DE EXTINCIN DEL ARCO ELCTRICO ..........................Interrupcin por alta resistencia .................................................................. Interrupcin por baja resistencia o de corriente cero ..................................

3-6 3-73-7 3-9

3.5 3.63.6.1 3.6.2 3.6.3 3.6.4 3.6.5

EXTINCIN EN CORRIENTE ALTERNA ............................................... TEORAS PRINCIPALES DE INTERRUPCIN DE CIRCUITOS ...........Teora de Slepian ......................................................................................... Teora de Prince ........................................................................................... Teora de Cassie ........................................................................................... Teora de Mayr ........................................................................................... Teora combinada de Browne ......................................................................

3-11 3-12

3-12 3-13 3-13 3-13 3-13

3.73.7.1

RELACIN ENTRE CIRCUITOS E INTERRUPTORES .........................Transitorios elctricos ................................................................................

3-133-13

3.8 3.9 3.10 3.11

COMPORTAMIENTO DEL ARCO ............................................................. TRANSITORIOS ELCTRICOS ................................................................ CONSTANTES Y CONDICIONES DE LOS CIRCUITOS ....................... LA TENSIN DESPUS DE LA CORRIENTE CERO FINAL .................i

3-15 3-16 3-17 3-17

3.11.1 3.11.2 3.11.3 3.11.4

Efecto de la tensin transitoria de restablecimiento ................................... Caractersticas de la tensin transitoria de restablecimiento ...................... Frecuencia natural ...................................................................................... Factores que determinan a las caractersticas de la TTR ............................ Proceso de cierre ......................................................................................... Proceso de apertura .....................................................................................

3-18 3-18 3-19 3-19

3.12

PRINCIPIO DE OPERACIN ......................................................................3.12.1 3.12.2

3-213-23 3-24

44.1 4.2 4.3

PRINCIPALES CARACTERSTICAS NOMINALESINTRODUCCIN .......................................................................................... CONDICIONES NORMALES DE OPERACIN ....................................... CARACTERSTICAS NOMINALES ..........................................................4.3.1 4.3.2 4.3.3 4.3.4 4.3.5 4.3.6 4.3.7 4.3.8 4.3.9 4.3.10 4.3.11 4.3.12 Tensin nominal y tensin mxima de diseo .............................................. Corriente nominal ........................................................................................ Frecuencia nominal ...................................................................................... Presin nominal de operacin del gas para maniobra e interrupcin .......... Capacidad interruptiva nominal .................................................................. Capacidad de cierre o de conexin nominal ................................................. Corriente nominal de tiempo corto ............................................................... Secuencia de operacin nominal ................................................................. Tensin Transitoria de Restablecimiento (TTR) nominal por falla en terminales ..................................................................................................... Corriente capacitiva nominal de interrupcin .............................................. Nivel Bsico de Aislamiento al Impulso (NBAI) ................................................ Niveles de contaminacin ...................................................................................... 4-11 4-14 4-15 4-20

4-1 4-2 4-24-3 4-4 4-4 4-4 4-4 4-10 4-10 4-10

55.1 5.2

TIPOS DE INTERRUPTORESINTRODUCCIN .......................................................................................... CLASIFICACIN DE INTERRUPTORES .................................................5.2.1 5.2.2 5.2.3 5.2.4 Tipos de interruptores por nivel de tensin .................................................. Interruptores por lugar de instalacin ......

.................................................... Interruptores por caractersticas externas de diseo .................................... Interruptores por mtodo y tipo de medio de interrupcin ...........................

5-1 5-25-2 5-2 5-3 5-3

5.3 5.4

INTERRUPTORES DE SOPLO MAGNTICO .......................................... INTERRUPTORES DE SOPLO DE AIRE ...................................................ii

5-4 5-5

5.5 5.65.6.1

INTERRUPTORES SIMPLES DE INTERRUPCIN EN ACEITE ............ INTERRUPTORES EN GRAN VOLUMEN DE ACEITE ..........................Tipos de cmaras de extincin para interruptores en gran volumen de aceite ............................................................................................................

5-5 5-85-11

5.75.7.1

INTERRUPTORES EN PEQUEO VOLUMEN DE ACEITE ........................Tipos de cmaras de extincin usadas en interruptores de pequeo volumen de aceite ........................................................................................

5-115-13

5.85.8.1

INTERRUPTORES EN SF6 ...........................................................................Interruptores de dos presiones en SF6 ..........................................................

5-155-15

5.95.9.1 5.9.2 5.9.3

PRIMERA GENERACIN DE INTERRUPTORES EN SF6 .......................Interruptores de soplo de una presin ......................................................... Interruptores de soplo .................................................................................. Interruptores de autosoplado ........................................................................

5-155-15 5-16 5-18

5.10 5.11 5.12 5.13 5.14

SEGUNDA GENERACIN DE INTERRUPTORES EN SF6 ................... TERCERA GENERACIN DE INTERRUPTORES EN SF6 .................. INTERRUPTORES EN VACO ................................................................. DISEO DIELCTRICO ............................................................................ MECANISMO DE OPERACIN ...............................................................5.14.1 5.14.2 5.14.3 Mecanismo de resortes ............................................................................... Mecanismo neumtico ................................................................................. Mecanismo hidrulico ..................................................................................

5-18 5-20 5-22 5-27 5-27

5-28 5-32 5-37

66.1

CARACTERSTICAS DE LOS MEDIOS DE EXTINCIN MAS USADOSACEITE AISLANTE .....................................................................................6.1.1 6.1.2 Propiedades del aceite aislante ................................................................... Interrupcin de corriente en aceite .............................................................

6-16-2 6-2

6.26.2.1 6.2.2

AIRE ......................................................................................................................Propiedades elctricas estticas ................................................................... Rigidez dielctrica del aire ............................................................................

6-46-4 6-5

6.36.3.1 6.3.2 6.3.3 6.3.4

VACO ..................................................................................................................El vaco como medio interruptivo ................................................................ Comportamiento del arco en el vaco ............................................................. Estabilidad del arco en vaco ........................................................................ Ruptura en vaco ...........................................................................................

6-86-8 6-9 6-9 6-10

iii

6.3.5 6.3.6

Interrupcin prematura o corte de corriente (current chopping) ............................ Caractersticas de recuperacin de los dispositivos de vaco .................................

6-12 6-12

6.46.4.1 6.4.2 6.4.3 6.4.4

HEXAFLUORURO DE AZUFRE (SF6) .....................................................Propiedades fsicas y qumicas del SF6 ........................................................ Rigidez dielctrica del SF6 ............................................................................. Capacidad de extincin del arco ................................................................... Factor de prdidas ........................................................................................

6-156-15 6-19 6-20 6-20

6.56.5.1 6.5.2 6.5.3 6.5.4 6.5.5 6.5.6

CONTAMINACIN DEL SF6 EN EQUIPO DE INTERRUPCIN ........Contaminacin por el manejo del gas ......................................................... Contaminacin por fugas ............................................................................. Contaminacin por desabsorcin ................................................................ Descomposicin por descargas elctricas .................................................... Reacciones secundarias de los productos de descomposicin ..................................... Generacin mecnica de partculas ..................................................................................

6-256-25 6-25 6-25 6-26 6-27 6-27

6.6 6.76.7.1 6.7.2

MECANISMOS DE DESCOMPOSICIN ...................................................... EFECTOS ADVERSOS DEL SF6 Y DE SUS PRODUCTOS DE DESCOMPOSICIN ...................................................................................Influencia en humanos ................................................................................ Efectos en el equipo ....................................................................................

6-27 6-296-29 6-32

6.8 6.9 6.10 6.11 6.12

NEUTRALIZACIN ....................................................................................... SF6 Y LA ATMSFERA ............................................................................. REQUERIMIENTOS DE PUREZA PARA EL SF6 REGENERADO ..... REUTILIZACIN DEL SF6 EN EQUIPO DE INTERRUPCIN ........... EQUIPO DE REGENERACIN ................................................................6.12.1 6.12.2 Verificacin de la calidad del gas regenerado ............................................. Determinacin de la categora del gas SF6 usado ............

............................. Proteccin respiratoria ............................

..................................................... Proteccin de la piel ......

............................................................................. Requerimientos del equipo de aspiracin .................................................... Requerimientos de ventilacin .................................................................... Requerimientos de limpieza ........................................................................ Desecho de los materiales de limpieza ........................................................ Higiene personal ..........................................................................................

6-33 6-33 6-34 6-36 6-386-40 6-41

6.13

PROCEDIMIENTOS DE MANEJO ............................................................6.13.1 6.13.2 6.13.3 6.13.4 6.13.5 6.13.6 6.13.7

6-436-43 6-44 6-44 6-47 6-48 6-48 6-48

iv

6.14 6.15

DESTRUCCIN DEL SF6 ............................................................................ MEZCLAS DE SF6 ........................................................................................

6-48 6-49

77.1 7.2

TEORA SOBRE PRUEBAS DE FUNCIONAMIENTO A INTERRUPTORESINTRODUCCIN ............................................................................................ RESISTENCIA DE AISLAMIENTO .........................................................7.2.1 7.2.2 Aplicacin de la prueba a interruptores ........................................................ Interpretacin de la resistencia de aislamiento en interruptores ...................

7-1 7-27-5 7-6

7.3 7.4 7.4.17.4.2

FACTOR DE POTENCIA DEL AISLAMIENTO .................................... MEDICIN DE FACTOR DE POTENCIA Y CAPACITANCIA A BOQUILLAS ................................................................................................. Medicin de descargas parciales ..............................................................Gases disueltos en boquillas con papel impregnado ....................................

7-7 7-9 7-127-14

7.57.5.1 7.5.2

PRUEBAS AL ACEITE AISLANTE .........................................................Pruebas de rutina a aceites aislantes ........................................................... Pruebas normalizadas ..................................................................................

7-157-15 7-19

7.67.6.1 7.6.2 7.6.3 7.6.4 7.6.5 7.6.6

PRUEBAS FSICO-QUMICAS AL SF6 ....................................................Punto de roco .............................................................................................. Rigidez dielctrica del SF6 ........................................................................... Acidez .......................................................................................................... Contenido de oxgeno .................................................................................. Fluoruro hidrolizable ................................................................................... Subproductos de descomposicin ................................................................

7-237-24 7-24 7-25 7-25 7-25 7-25

7.77.7.1 7.7.2

PRUEBA DE TIEMPOS DE OPERACIN .....................................................Pruebas normales ......................................................................................... Valores de prueba .......................................................................................

7-257-28 7-28

7.87.8.1

RESISTENCIA DE CONTACTOS .............................................................Resistencia de contacto y temperatura del contacto ....................................

7-297-29

7.9 7.10 7.11

ANLISIS DE VIBRACIN ...................................................................... CONTAMINACIN ...................................................................................... SISMISIDAD .................................................................................................

7-32 7-33 7-33

88.1

MANTENIMIENTOINTRODUCCIN ........................................................................................v

8-1

8.28.2.1 8.2.2 8.2.3

PLANEACIN DEL PROGRAMA DE MANTENIMIENTO ................Objetivos del mantenimiento ........................................................................ Tipos de mantenimiento .............................................................................. Criterios para aplicacin de mantenimiento en interruptores .......................

8-18-3 8-3 8-5

8.3 8.4

EJECUCIN DEL MANTENIMIENTO .................................................... VALORIZACIN DE CRDITOS DE TRABAJO.....................................

8-10 8-10

99.1 9.2 9.3

APLICACIONES PRCTICAS DE LOS INTERRUPTORES DE POTENCIAINTRODUCCIN ......................................................................................... PROCESO DE INTERRUPCIN ............................................................... TENSIN TRANSITORIA DE RESTABLECIMIENTO (TTR) .............9.3.1 9.3.2 Clculo de la TTR ....................................................................................... Tensin de restablecimiento de frecuencia fundamental .............................

9-1 9-2 9-49-5 9-5

9.3.39.3.4 9.3.5 9.3.6 9.3.7 9.3.8 9.3.9 9.3.10

Tensin de restablecimiento de una frecuencia .........................................TTR de doble frecuencia ............................................................................. Falla de lnea corta ....................................................................................... Efecto del factor de potencia de la carga en la TTR ..................................... Circuito resistivo ......................................................................................... Circuito inductivo ........................................................................................ Circuito capacitivo ...................................................................................... Efecto de la corriente asimtrica ................................................................. Interrupcin de corrientes capacitivas ......................................................... Interrupcin de corrientes en circuitos con una relacin X/R alta ................ Interrupcin de corrientes inductivas ........................................................... Ferroresonancia ............................................................................................ Apertura y cierre sincronizado .................................................................... Relevador de sincronismo ........................................................................... Interrupcin de oposicin de fases .............................................................. Falla evolutiva .............................................................................................

9-6

9-6 9-9 9-11 9-11 9-11 9-13 9-16

9.49.4.1 9.4.2 9.4.3 9.4.4 9.4.5 9.4.6 9.4.7 9.4.8

CONDICIONES DE OPERACIN ............................................................

9-179-17 9-26 9-29 9-33 9-34 9-35 9-38 9-43

9.59.5.1 9.5.2 9.5.3

CRITERIOS DE APLICACIN ..................................................................Corrientes de falla ........................................................................................ Tensin Transitoria de Recuperacin (TTR) ................................................ Sobretensiones por maniobra .......................................................................vi

9-449-45 9-46 9-48

9.5.4 9.5.5 9.5.6 9.5.7 9.5.8 9.5.9 9.5.109.5.11

Coordinacin de aislamiento ....................................................................... Aplicacin a altitudes mayores a 1,000 m.s.n.m. ......................................... Contaminacin ............................................................................................. Consideraciones ssmicas ............................................................................ Consideraciones de diseo ........................................................................... Interruptores de tanque muerto .................................................................... Interruptores de tanque vivo ......................................................................... Ruido ............................................................................................................

9-51 9-51 9-53 9-53 9-59 9-60 9-61 9-61

1010.1 10.2

DIAGNSTICO DE FALLAS Y MONITOREOINVESTIGACIN DE FALLAS .................................................................. PROCEDIMIENTO PARA INVESTIGACIN DE FALLAS EN INTERRUPTORES .......................................................................................10.2.1 Acciones inmediatas ........................................................................................ 10.2.2 10.2.3 10.2.4 Investigacin ............................................................................................... Diagrama de flujo de la investigacin ......................................................... Plan de accin recomendado ......................................................................

10-1 10-110-2 10-3 10-4 10-4

10.3

RECOPILACIN DE DATOS ......................................................................10.3.1 Enfoque general ....................................................................................................................... 10.3.2 Preparacin ............................................................................................................................... 10.3.3 Investigacin inmediata ................................................................................... 10.3.4 Investigacin subsecuente ...............................................................................

10-710-7 10-7 10-10 10-11

10.4

ANLISIS DE FALLA ...................................................................................10.4.1 Fallas del mecanismo de operacin ................................................................. 10.4.2 Fallas debidas a degradacin del aislamiento slido externo .......................... 10.4.3 Fallas debidas a tensiones transitorias ............................................................. 10.4.4 Fallas debidas a aplicacin errnea ................................................................. 10.4.5 Resistencias, capacitores y transformadores de corriente ................................ 10.4.6 Fallas debidas a animales .....................

........................................................... 10.4.7 Otras causas de falla ........................................................................................

10-1110-12 10-13 10-14 10-14 10-15 10-15 10-15

10.5

FALLAS DIELCTRICAS INTERNAS Y EN LA CMARA .....................................10.5.1 Interruptores de soplo de una presin en SF6 .................................................. 10.5.2 Interruptores con gas SF6 de dos presiones ..................................................... 10.5.3 Interruptores de gran volumen de aceite .......................................................... 10.5.4 Interruptores en vaco ......................................................................................

10-1610-16 10-17 10-18 10-18

vii

10.5.5 Interruptores de soplo magntico .................................................................... 10.5.6 Interruptores de soplo de aire .......................................................................... 10.5.7 Interruptores en pequeo volumen de aceite ...................................................

10-20 10-21 10-21

10.6 10.7 10.8

TIPOS DE FALLA Y CAUSAS ........................................................................ DIAGNSTICO DE FALLAS .......................................................................... MONITOREO ....................................................................................................

10-22 10-23 10-30

1111.1 11.2 11.3

PRUEBAS DE RUTINA Y PROTOTIPO A INTERRUPTORESINTRODUCCIN ........................................................................................... PRUEBAS DE RUTINA Y PROTOTIPO ............................................... PRUEBAS DIELCTRICAS ......................................................................11.3.1 11.3.2 11.3.3 11.3.4 11.3.5 11.3.6 11.3.7 11.3.8 11.3.9 11.3.10 Condiciones ambientales durante las pruebas ................................................ Procedimiento para prueba de potencial aplicado en condiciones hmedas Condiciones del interruptor durante las pruebas dielctricas ..................... Criterios para pasar la prueba ...................................................................... Condiciones de prueba y aplicacin de la tensin de prueba ...................... Pruebas a interruptores de Ur245 kV ........................................................ Pruebas a interruptores de Ur>245 kV ......................................................... Pruebas de contaminacin artificial ............................................................. Pruebas de descargas parciales ..................................................................... Pruebas de circuitos auxiliares y de control .................................................

11-1 11-1 11-211-2 11-2 11-3 11-4 11-5 11-7 11-8 11-8 11-8 11-9

11.4 11.5 11.6 11.7 11.8 11.9 11.10 11.11

PRUEBA DE VOLTAJE DE RADIO INTERFERENCIA (R.I.V.) .............. MEDICIN DE LA RESISTENCIA DE CIRCUITOS ............................. PRUEBA DE ELEVACIN DE TEMPERATURA .................................. PRUEBA DE CORRIENTE PICO Y DE CORRIENTE INSTANTNEA ...... PRUEBAS DE HERMETICIDAD ............................................................. PRUEBA DE COMPATIBILIDAD ELECTROMAGNTICA (EMC) ..... PRUEBA DE OPERACIN MECNICA ............................................... PRUEBAS DE CORTOCIRCUITO .................................................................11.11.1 11.11.2 11.11.3 Comportamiento del interruptor antes, durante y despus de las pruebas de cortocircuito ................................................................................................. Magnitudes para la prueba de cortocircuito ................................................. Procedimiento de prueba .............................................................................

11-9 11-11 11-11 11-12 11-14 11-15 11-16 11-1811-20 11-21 11-22

11.12

PRUEBAS DE FALLA A TIERRA ............................................................

11-23

viii

11.13 11.14 11.15 11.16 11.17 11.18

PRUEBAS DE FALLA DE LNEA CORTA ............................................ PRUEBAS DE INTERRUPCIN DE CORRIENTES INDUCTIVAS (REACTORES Y MOTORES) ................................................................... PRUEBAS DE APERTURA Y CIERRE DE DEFASAMIENTO (FUERA DE FASE) ..................................................................................... PRUEBAS DE INTERRUPCIN DE CORRIENTES CAPACITIVAS VERIFICACIN VISUAL Y DEL DISEO ...................................................... VERIFICACIN DEL GRADO DE PROTECCIN .................................11.18.1 11.18.2 Verificacin del cdigo IP ............................................................................ Prueba de impacto ........................................................................................ Prueba de temperatura extremadamente baja ............................................ Prueba de temperatura extremadamente alta ...............................................

11-23 11-24 11-24 11-24 11-26 11-2611-26 11-26

11.19

PRUEBAS DE TEMPERATURAS EXTREMAS ......................................

11-2611-27 11-30

11.19.1 11.19.2

11.20 11.21

PRUEBA DE HUMEDAD .......................................................................... PRUEBAS DE CARGA ESTTICA EN TERMINALES ........................

11-30 11-33

ANEXO 1 GLOSARIO ANEXO 2 PROCEDIMIENTOS DE PRUEBASGP-A002-S SGP-A003-S GGT-027 PROCEDIMIENTO DE PRUEBA DE SINCRONISMO Y TIEMPOS DE OPERACIN DE INTERRUPTORES PROCEDIMIENTO PARA PRUEBAS DE FACTOR DE POTENCIA DE AISLAMIENTO EN EQUIPO ELCTRICO PROCEDIMIENTO PARA PRUEBAS DE RESISTENCIA DE CONTACTOS

ANEXO 3 VALORIZACIN POR CRDITOS DE TRABAJO ANEXO 4 CUESTIONARIO DE CARACTERSTICAS PARTICULARES DE INTERRUPTORES DE POTENCIA ANEXO 5 SNTESIS DE FALLAS DE INTERRUPTORES DE POTENCIA EN EL PERODO DE 1981 AL 2001 BIBLIOGRAFAix

MANUAL DE INTERRUPTORES DE POTENCIA

CAPTULO 1

INTRODUCCIN

1.1

INTRODUCCIN

Desde que se empez a utilizar la energa elctrica, surgi la necesidad de inventar equipos de conexin y desconexin capaces de establecer e interrumpir el flujo de corriente. De esta forma, surgieron los primeros diseos de interruptores, los cuales fueron muy rudimentarios y estaban basados en conocimientos empricos. Estos diseos fueron mejorando en funcin del crecimiento de los sistemas elctricos, obligando a los diseadores a incluir el uso de herramientas sofisticadas con el propsito de lograr interruptores ms confiables y con mayor capacidad.

El interruptor es un dispositivo, cuya funcin es asegurar el flujo continuo de corriente en una red elctrica bajo condiciones normales de operacin e interrumpirlo cuando se presentan condiciones anormales o fallas. Se utiliza para controlar el flujo de corriente y como medio de proteccin para el personal y el equipo. Se conecta en serie con el circuito que se va a proteger y entre otras cosas es capaz de: Interrumpir: (a) cualquier nivel de corriente que circule por sus contactos, desde unos cuantos amperes, hasta su capacidad de corto circuito, ambas simtricas y asimtricas, a las tensiones especificadas en la norma IEC-62271-100CFE/CTT

1-1

INTRODUCCIN

y (b) hasta el 25 % de su capacidad de corto circuito al doble de su tensin nominal entre fases. Cerrar con la corriente mxima de corto circuito a la tensin nominal entre fases y al 25 % de la corriente mxima de corto circuito al doble de su tensin nominal entre fases. Conectar y desconectar corrientes inductivas, capacitivas (lnea, cable y banco de capacitores) y corrientes de reactores sin generar sobretensiones excesivas que sobre-esfuercen las capacidades dielctricas del sistema de transmisin o distribucin. Efectuar operaciones de cierre apertura cuando sea requerido y Conducir su corriente nominal sobrecalentar sus componentes. sin

interruptiva, (3) aisladores y (4) mecanismo de operacin. Por otra parte, en los ltimos aos ha habido un desarrollo muy importante en la tecnologa de interruptores de potencia, donde el uso de programas de computadora ha permitido clarificar el comportamiento del arco elctrico durante la interrupcin. Esto mediante el desarrollo de modelos precisos de arcos elaborados utilizando combinaciones de diferentes reas de la ciencia, como la dinmica de fluidos y la termodinmica. Para propsitos de diseo, se est aplicando ampliamente el diseo asistido por computadora (CAE) en el anlisis de campos elctricos, anlisis de distribucin de presin y anlisis mecnico (incluyendo fuerzas de operacin y respuesta ssmica) para lograr diseos optimizados de interruptores. Adicionalmente, hay un mercado con un crecimiento constante en la demanda de interruptores, con una mayor capacidad interruptiva y tensin nominal para enfrentar la creciente demanda de los sistemas de potencia. Para cumplir con esas tendencias se estn desarrollando generaciones nuevas de interruptores con altas capacidades interruptivas, ayudado por el uso de computadoras y tcnicas de monitoreo y diagnstico que cubren una amplia gama de anlisis, diseo, medicin y pruebas. Para estar acorde con estas tendencias tecnolgicas, CFE decidi realizar una revisin de la informacin contenida en el Manual de Interruptores de Potencia publicado en octubre de 1991 por la Comisin Federal de Electricidad y editar una nueva edicin que cubra entre otros aspectos: fenmeno interruptivo, tecnologas nuevas, cambios en las normas, procedimientos de prueba, pruebas prototipo, aplicacin, criterios1-2 CFE/CTT

Para realizar con xito las funciones anteriores, es necesario que el interruptor tenga un buen diseo mecnico para cumplir los requerimientos de apertura y cierre de sus contactos y un buen diseo elctrico para asegurar que el interruptor soporte los esfuerzos elctricos y trmicos a los que se somete durante su operacin. El interruptor se vuelve ms complejo conforme se incrementan las corrientes de corto circuito y las tensiones y, al mismo tiempo, cuando se reducen los tiempos de liberacin de fallas. Este ltimo requerimiento es con el propsito de mantener una estabilidad adecuada en el sistema elctrico. Un interruptor tiene cuatro componentes principales: (1) medio interruptivo (que puede ser gas SF6, vaco, aire o aceite), (2) cmara

INTRODUCCIN

de diagnstico y monitoreo y estadstica de fallas. Esta nueva versin permitir que un nmero importante de ingenieros electricistas que trabajan en las diferentes reas de CFE (construccin, puesta en servicio, operacin y mantenimiento) se beneficien con la informacin contenida, ya que el manual de interruptores de potencia puede ser usado en las actividades diarias, ya sea como referencia o como gua para la seleccin, especificacin, pruebas de campo, etc., o como un compendio de informacin sobre el tema de interruptores de potencia. Para que este manual este actualizado tanto en los procedimientos de mantenimiento, como en las nuevas tcnicas de extincin de arco, es conveniente actualizar este manual cada cinco aos.

1-3

CFE/CTT


CAPTULO 2

OBJETIVO

2.1

OBJETIVO Adems de lo anterior, el propsito de este manual es establecer los criterios para la interpretacin de resultados de pruebas y uniformizar los criterios de aplicacin de mantenimiento a los diferentes tipos de interruptores de media y alta tensin con que cuenta la Comisin Federal de Electricidad.

El objetivo de esta segunda edicin del Manual de Interruptores de Potencia es que sirva como gua o referencia tcnica, basada en la informacin ms relevante y actualizada obtenida de diferentes fuentes (recomendaciones de fabricantes, experiencias de personal de operacin y mantenimiento de la CFE, normas nacionales e internacionales, libros y artculos tcnicos) para dar apoyo a los ingenieros de operacin y mantenimiento de la CFE, as como para la formacin de nuevas generaciones de personal tcnico.

2-1

CFE/CTT


CAPTULO 3

EL ARCO ELCTRICO EN EL INTERRUPTOR

3.1

INTRODUCCIN

Existen dos formas para interrumpir el flujo de la corriente: reduciendo a cero el potencial que lo genera y separando fsicamente el conductor del flujo de corriente. Esta ltima, es la ms usada para lograr dicha interrupcin. Los primeros interruptores consistan en un juego de barras conductoras sumergidas en mercurio. Posteriormente, se dise el interruptor con cuchillas, que an es usado en algunas aplicaciones de baja tensin y baja potencia. En los interruptores modernos la interrupcin es un proceso que inicia en el instante de separacin de sus contactos. ste contina mientras los contactos se separan y forman un entrehierro que es puenteado por3-1

un plasma conductor. El proceso de interrupcin termina cuando el plasma conductor pierde su conductividad. El plasma conductor es el ncleo del arco elctrico y un elemento indispensable del proceso de interrupcin de corriente. Basado en lo anterior, se deduce que el proceso de extincin del arco constituye el fundamento sobre el que se basa la interrupcin de corriente. Por lo tanto, se necesita conocimiento de los fundamentos de la teora del arco para entender el proceso de interrupcin de corriente.

CFE/CTT


3.2 3.2.1

EL ARCO ELCTRICO Fsica de la materiaRBITA DEL ELECTRN

Para comprender la naturaleza del arco elctrico, es necesario entender primero la estructura de la materia. La materia est formada por tomos, constituidos fundamentalmente por tres partculas: el neutrn, el protn y el electrn. El ncleo de cada tomo est formado por protones y neutrones, es pequeo y pesado, de aproximadamente 10 -12 cm de dimetro. Los electrones giran en rbitas alrededor del ncleo, en un movimiento similar al de los satlites En un tomo con carga cero se tiene igual cantidad de protones y electrones. Las cargas del protn y del electrn son iguales y con polaridad opuesta, 1.6x10-19 C, el protn tiene carga positiva, el electrn carga negativa y el neutrn carga neutra; de esta forma, las cargas en el tomo estn balanceadas y la carga neta es cero. En la Fig. 3.1, se muestran estructuras de tomos. Debido a que los principales medios de extincin del arco elctrico son gaseosos, tales como: aire, SF6 y N2, la teora del proceso de interrupcin est enfocada para medios gaseosos. 3.2.2 Ionizacin

NCLEO A)

ELECTRN NCLEO PROTN B)

Fig. 3.1 Estructuras atmicas de: (A) hidrgeno consistente de un protn y un electrn; (B) helio consistente de dos protones y dos electrones.

Ionizacin trmica o emisin termoinica. Es el resultado del choque aleatorio de electrones en un medio gaseoso con temperatura alta. Ionizacin por impacto o emisin de campo. Se produce al acelerar un electrn o un ion mediante la accin de un campo elctrico. La energa cintica adquirida por el electrn provoca colisiones entre electrones y, por consecuencia, su desprendimiento del tomo o molcula. Debido a la ionizacin, el entrehierro entre contactos es conductivo. La emisin de electrones libres y la iniciacin de un arco elctrico entre dos electrodos, se puede producir por:3-2 CFE/CTT

La ionizacin es el proceso donde se desprenden uno o ms electrones de un tomo o molcula. Esto provoca la descomposicin de los tomos, elctricamente neutros, en iones con carga positiva y electrones con carga negativa. El proceso de ionizacin consume cierta cantidad de energa y se efecta de varias maneras:


Aumento de la temperatura debido a emisin termoinica. Gradiente de tensin en el ctodo, provoca la emisin de campo.

3.2.3

Desionizacin

Las condiciones existentes en el instante de la separacin de los contactos del interruptor conduce a uno o a ambos procesos. En el proceso de separacin de los contactos, el rea de contacto y la presin entre ellos disminuyen (ver Fig. 3.2), produciendo un incremento de la resistencia hmica y de la temperatura. El incremento de temperatura puede ser suficiente para provocar la ionizacin trmica. El incremento de la resistencia hmica puede ser pequeo, pero el incremento en la corriente puede ser extremadamente alto, del orden de cientos o miles de Amperes, ocasionando una cada de tensin de unos cuantos Volts. Como la distancia de separacin es muy pequea, el gradiente de tensin es grande. Este gradiente puede ser suficiente para iniciar la emisin de electrones del ctodo provocando la ionizacin por impacto. Ambos tipos de ionizacin varan conforme al material, forma y separacin de los contactos. Al iniciar el arco entre los electrodos se liberan suficientes electrones del ctodo con direccin al nodo provocando que el medio se ionice. Esta ionizacin libera electrones que mantienen el arco an despus de haber cesado la emisin de campo. En consecuencia, cada electrn emitido se multiplica en numero derivando energa del campo. El proceso de difusin y recombinacin contina reponiendo los electrones perdidos al nodo. Finalmente, si el flujo de corriente es alto, se establece un arco con temperatura suficiente como para convertirse en la fuente principal de conductividad elctrica.

La de-ionizacin es el proceso de restaurar un gas ionizado, compuesto de iones positivos y electrones, a su estado original elctricamente neutro. Es por este proceso, que el entrehierro formado entre los contactos de un interruptor tiene la conversin de un gas conductor a un gas aislador.

3.2.4

Cada de tensin del arco

El arco elctrico se representa como una resistencia conectada entre los electrodos que se forma. Esto implica la existencia de una cada de tensin Ub. Esta cada de tensin tiene tres componentes: la cada de tensin andica Ua, la cada de tensin catdica Uc y la cada de tensin de la columna o canal plasmtico Us, (ver Fig. 3.3). Debido a esto, la cada de tensin Ub no es lineal. Agrupando las cadas de tensin en la proximidad de los electrodos, la tensin total del arco se puede representar por la siguiente expresin: U b = + l donde: = Cada de tensin en los electrodos = Cada por unidad longitud lb= Longitud total del arco De la ecuacin anterior se desprende la enorme influencia de la longitud del arco en el comportamiento de su tensin.

3-3

CFE/CTT


CONTACTO 1

A

CONTACTO 2

a) C ircuito cerrado, los puntos con la m nim a resistencia de contacto (A y B ) tienen la m ayor concentracin de corriente.

B

b) L a presin de contacto se reduce, el flujo com pleto de corriente se concentra en el punto A .

c) C ontactos com pletam ente separados, aparece un arco entre los dos ltim os puntos de contacto

d) L a separacin entre los contactos se ha increm entado y el arco se alarga, la dispersin m agntica y la conveccin del calor aum enta la longitud del arco.

e) E l increm ento m ayor del espacio entre los contactos lo hacen un no conductor. Se detiene com pletam ente el flujo de corriente.

Fig. 3.2 Proceso de interrupcin de un circuito en aire. Las flechas pequeas indican la direccin del flujo de corriente y las flechas grandes indican la direccin del movimiento de los contactos.

3-4

CFE/CTT


nodo + Ub U a Ub= f( ) b

-

Ctodo

Ub Ub Curva para corriente en incremento

0

Ub 1 Curva para corriente en disminucin

Us

U c

b

i Fig. 3.4 Cada de tensin a travs de un arco elctrico en funcin de la corriente.

Fig. 3.3 Esquema simplificado de las tensiones asociadas al arco elctrico entre dos electrodos.

Por ser un conductor gaseoso, la cada de tensin del arco elctrico vara en forma inversa a la intensidad del flujo de corriente. Por lo tanto, la caracterstica tensin-corriente es decreciente, es decir, la resistencia elctrica del arco es negativa. En efecto, si se aplica una diferencia de potencial entre dos electrodos, el arco se inicia para un valor determinado Ub0. Si la corriente i se incrementa, la temperatura y la ionizacin tambin aumentan, reduciendo la resistencia al flujo de corriente y la cada de tensin a travs del arco. Si la corriente i disminuye, la curva caracterstica de corrientecada de tensin pasa por debajo de la curva caracterstica que se obtiene al incrementar la corriente y el arco se extingue para una tensin Ubl. (ver Fig. 3.4). Esto es valido solamente para corriente continua.

En corriente alterna, la intensidad del arco vara con la frecuencia y pierde su carcter estacionario. La diferencia de potencial entre los extremos de un arco de corriente sinusoidal, para un entrehierro constante tiene la forma que se indica en la Fig. 3.5.

i

Ub

t

Ub 0 Ub 1

t

Fig. 3.5 C.A.3-5

Arco elctrico en un circuito de

CFE/CTT


3.2.5

Comportamiento trmico

3.2.6

Prdidas de calor del plasma

La interrupcin de un circuito con carga siempre genera una descarga de arco entre los contactos del interruptor. Durante este proceso, se libera una gran cantidad de energa, la mayor parte en forma de calor. Esta energa puede calcularse por medio de la siguiente expresin:

Un arco elctrico pierde calor debido a:

Conduccin. Conveccin. Radiacin.

W = U b idt0

t

donde:

i = Valor instantneo de la corriente Ub = Tensin de arco T = Tiempo de duracin del arcoEsta energa puede ser muy grande y ocasionar daos a los contactos del interruptor, vaporizacin del medio interruptivo, aumento de la presin en el interior del tanque, etc. Para evitar los daos que puede sufrir un interruptor, se requiere reducir el tiempo de arqueo. En los interruptores de corriente alterna esto se logra con la de-ionizacin de la trayectoria del arco, mediante la apertura del interruptor en el instante del cruce por cero de la onda de corriente. Puede observarse que si el arco de C.A. se interrumpe bruscamente, se genera un transitorio de tensin entre los contactos del interruptor, debido a la inductancia del circuito. La interrupcin o extincin del flujo de corriente en el circuito ocurre en el instante en el que la corriente llega a cero. En otras palabras, el arco de C.A. sincroniza el instante de apertura del circuito con el cruce por cero de la corriente, independientemente del instante en que se separan los contactos.

La prdidas que ocurren en un interruptor son nicamente por conduccin y por conveccin, ya que la prdida de calor por radiacin es despreciable. En los interruptores en aceite se forman arcos en las toberas o tubos y en las ranuras angostas, por lo que casi todas las prdidas son por conduccin. Para interruptores de soplo de aire, la prdida de calor es por conduccin y conveccin, al igual que en arcos que se forman en aire.

3.3

INTERRUPCIN DE CIRCUITOS DE C.D. Y C.A.

La interrupcin de un circuito de C.D. y de otro de C.A. implica procesos distintos debido a la naturaleza de las corrientes. En el caso de circuitos de C.D. no existen valores de corriente cero, ni tiempos donde la corriente sea cero. Por lo tanto, para lograr la interrupcin, la corriente debe ser forzada hasta alcanzar un valor de cero. Esto se logra aumentando la resistencia del arco hasta que su cada de tensin sea igual a la tensin del circuito, lo que se efecta con la elongacin

del arco o la reduccin forzada del arco. Para el caso de circuitos de C.A. s ocurren valores de corriente cero. Por lo tanto, para lograr la interrupcin, slo es necesario impedir el reencendido del arco despus de un valor de corriente cero. Esto, se logra con3-6 CFE/CTT


la de-ionizacin del entrehierro formado entre los contactos del interruptor.

3.4

MTODOS DE EXTINCIN DEL ARCO ELCTRICO

En trminos generales, se conocen tres mtodos de extincin del arco elctrico en los interruptores:

Interrupcin por alta resistencia. Interrupcin por baja resistencia. Interrupcin en vaco. Fig. 3.6 Elongacin del arco elctrico por la accin del empuje trmico.

3.4.1

Interrupcin por alta resistencia

En este caso, el objetivo es incrementar la resistencia del arco en funcin del tiempo y reducir la corriente hasta lograr la extincin. La desventaja principal de este mtodo de interrupcin es la gran cantidad de energa disipada, por lo tanto, slo se usa en interruptores de baja y mediana tensin, as como en interruptores de corriente directa. Para incrementar la resistencia del arco se emplean las tcnicas siguientes: Elongacin del arco. Como la resistencia del arco es aproximadamente proporcional a su longitud, alargando el arco su resistencia aumenta, ver Fig. 3.6.

Enfriamiento del arco. La tensin requerida para mantener la ionizacin aumenta cuando la temperatura disminuye, por lo que enfrindolo su resistencia aumenta, ver Fig. 3.7.

CONTACTO FIJO

CONTACTO MVIL

Fig. 3.7 Representacin esquemtica de la tcnica de enfriamiento del arco en un interruptor neumtico.

3-7

CFE/CTT


Divisin del arco. Cuando se establece un arco, existe una tensin apreciable entre las superficies de los contactos. Si el arco se divide en arcos pequeos, en serie, se reduce la tensin de la columna, ver Fig. 3.8. Contriccin del arco. Esta tcnica consiste en confinar el arco en un canal muy angosto, aumentando su resistencia hasta lograr su extincin, ver Fig. 3.9. Estas tcnicas son las ms empleadas para aumentar la resistencia del arco de corriente directa y tambin se aplican en la interrupcin de corrientes alternas, de hasta 660 V. Para niveles de tensiones mayores es necesario recurrir a nuevas y diferentes tecnologas.

MATERIAL CERMICO

ARCO

CAMPO MAGNTICO

Fig. 3.8 Representacin esquemtica de la divisin del arco.

1

7

4

6 3

5

2

1.- Placa apagachispas. 2.- Cuchilla principal. 3.- Contacto fijo. 4.- Cuchilla auxiliar.

5.- Resorte. 6.- Pinza de retencin de la cuchilla auxiliar. 7.- Bobina de soplado.

Fig. 3.9

Representacin esquemtica de la contriccin del arco.3-8 CFE/CTT


3.4.2

Interrupcin por baja resistencia o de corriente cero

U sen t = i R U bDonde:

Este mtodo se emplea para la interrupcin de arcos de corriente alterna aprovechando que el arco se extingue por s solo, 120 veces por segundo en un sistema de 60 Hz, cada vez que la corriente cruza por cero. Este fenmeno se representa en la Fig. 3.10 y es ms conocido como HISTRESIS DEL ARCO. A partir de una tensin Uz se inicia el arco (tensin de encendido), la corriente aumenta en la primera mitad del semiperodo y la tensin de arco disminuye en forma hiperblica hasta que la corriente alcanza su valor mximo. Posteriormente, la corriente disminuye (segunda mitad del semiperodo) y la tensin de arco trata de restablecerse. La diferencia entre las tensiones Uz y Uv se debe a la ionizacin del entrehierro, el cual demanda una tensin inferior (Uv < Uz). El semiperodo siguiente, con signo contrario, causa un efecto similar, obtenindose as la parte inferior de la curva de histresis. Este comportamiento del arco elctrico se puede comprender con la ayuda de un circuito resistivo, en el que la tensin obedece la relacin siguiente (ver Fig. 3.11).

U b = + lbPara tensiones muy altas se puede despreciar la cada de tensin en la proximidad de los electrodos, en vista de lo cual se puede suponer =0, adquiriendo la relacin anterior la forma siguiente: ya que lb= vt:

U sen t = i R

v to tambin:

i = I sen t v t / R Esta ltima relacin indica que la corriente del arco elctrico ib tiene dos componentes, descritos en la Fig. 3.11. En esta figura se observa que los intervalos entre extincin y reencendido son cada vez mayores. El arco reencender siempre que la tensin en el interruptor (Usent) sea mayor que la tensin del arco (vt). Las condiciones favorables para que no ocurran reencendidos se presentan despus de transcurrido un tiempo, entre 1.5 y 3 ciclos. Este periodo comnmente se requiere en los interruptores modernos para liberar fallas y no afectar la estabilidad del sistema.

3-9

CFE/CTT


Ub Ub Uz Uv C.A. ib Uv Uz

C.D. Ub= f(i b ) ib

Fig. 3.10

Comportamiento del arco en corriente alterna (Histresis del arco).

u

+ vt/R i = f (t) = ib

t - vt/R i senwt

Fig. 3.11 Interrupcin de la corriente i en un circuito resistivo de C.A. La corriente de arco ib denota una componente armnica que vara en funcin de la frecuencia y otra continua que crece linealmente con el tiempo.

3-10

CFE/CTT


3.5

EXTINCIN ALTERNA

EN

CORRIENTE

La extincin del arco elctrico en corriente alterna est relacionado con el cruce por cero de la corriente. La de-ionizacin o recuperacin de la rigidez dielctrica del entrehierro, inicia en el momento en que el arco se extingue (cuando la corriente cruza por cero). La rigidez crece linealmente en funcin del tiempo, hasta alcanzar su estabilizacin. Si la tensin en el interruptor (Usent) en algn instante excede a la tensin de recuperacin U r , ocurre un reencendido. En caso contrario, si la tensin de recuperacin U r se incrementa ms rpidamente que la tensin en el interruptor, no se produce el reencendido. Este fenmeno se ilustra en la Fig. 3.12.

El comportamiento anterior vara si se considera un circuito inductivo o capacitivo. Estos circuitos son muy importantes, porque los sistemas de transmisin de energa suelen tener reactores en derivacin o bancos de capacitores en serie. Adems, la desconexin de un transformador operando en vaco representa una inductancia. En los circuitos inductivos o capacitivos, el cruce por cero de la corriente coincide, segn el caso, con el valor mximo de la tensin. En este tipo de circuitos es comn que se presenten reencendidos. Esto se debe al extinguirse el arco al cruzar la corriente por cero, la tensin del circuito excede a la tensin de recuperacin.

2

TENSIN DE RECUPERACIN

1

1 t

Ub

1 ib 2 Ub

ib

UsenwtFig. 3.12

Comportamiento de las tensiones durante el proceso de interrupcin.

3-11

CFE/CTT


Estos circuitos tienen un comportamiento oscilatorio por la presencia simultnea de inductancias y capacitancias. La tensin transitoria tiende a oscilar y puede alcanzar a la tensin de recuperacin. Sin embargo, la mayora de las veces se logra la de-ionizacin del entrehierro y, por lo tanto, la interrupcin exitosa.

3.6.1

Teora de Slepian

La teora Slepian, tambin conocida como teora de carrera, establece que la interrupcin se logra siempre que la fuerza dielctrica del entrehierro se incremente ms rpidamente que la tensin del sistema. Este proceso inicia inmediatamente despus del cruce por cero, cuando los electrones son forzados a alejarse del ctodo creando una zona o capa de iones positivos en la regin del ctodo. La Fig. 3.13 muestra la representacin grfica de esta teora, en donde se presentan dos casos. El primero donde la fuerza dielctrica del entrehierro se incrementa ms rpido que la tensin del sistema y no ocurre el reencendido. En el segundo caso, la tensin del sistema crece ms rpido que la fuerza dielctrica del entrehierro y por lo tanto ocurre el reencendido.

3.6

TEORAS PRINCIPALES DE INTERRUPCIN DE CIRCUITOS

La complejidad del comportamiento del arco durante el proceso de interrupcin, ha provocado el desarrollo de modelos que describen este proceso. Los primeros modelos estaban concentrados en la regin de corriente cero. Los modelos recientes se enfocan en calcular el dimetro del arco en la corriente mxima. Estos modelos son una aproximacin del fenmeno de interrupcin. A continuacin se presenta un resumen de las principales teoras.

Tensin de recuperacin del sistema caso 1

Tensin de recuperacin

Punto de reencendido Recuperacin dielctrica Tensin de recuperacin del sistema caso 2

TiempoFig. 3.13

Representacin grfica de la teora de Slepian.3-12 CFE/CTT


3.6.2

Teora de Prince

3.6.5

Teora combinada de Browne

A esta teora tambin se le conoce como teora de desplazamiento o de cua. sta establece que el circuito es interrumpido si la longitud de la ruta del arco se incrementa durante la interrupcin hasta que la tensin de recuperacin no es suficiente para provocar un reencendido. Cuando la corriente cruza por cero, el arco es dividido en dos por un flujo de gas fro, quedando entre cada parte semiconductiva del arco una columna de gas fro no conductivo.

sta es un modelo que combina las teoras de Cassie y de Mayr. Considera que antes del cruce por cero, la corriente est definida por el circuito a interrumpir y despus del cruce por cero, la tensin en el entrehierro est determinada por el arco. Tambin considera que la teora de Cassie es vlida para corrientes altas antes del cruce por cero y para el instante posterior al cruce por cero, seguido por un reencendido trmico. El modelo de Mayr sirve de enlace entre los dos periodos de tiempo para los que es vlido el modelo de Cassie. Esta teora es usada como herramienta para el diseo y evaluacin de circuitos de interrupcin.

3.6.3

Teora de Cassie

Esta teora est basada en la conductividad del arco y asume que las prdidas de un arco de alta corriente son principalmente por conveccin y que la temperatura es constante en todo el arco. La temperatura del arco se mantiene independientemente de la seccin transversal de este.

3.7 3.7.1

RELACIN ENTRE CIRCUITOS E INTERRUPTORES Transitorios elctricos

3.6.4

Teora de Mayr

Considera que el dimetro de la columna de arco es constante y que la temperatura vara en funcin del tiempo y del dimetro. Tambin asume que la cada de la temperatura se debe a la conduccin trmica y que la conductividad elctrica del arco depende de la temperatura.

Las condiciones bajo las que el interruptor opera estn determinadas por las caractersticas elctricas del circuito a interrumpir. La operacin de un interruptor modifica el estado del circuito en el cual opera. Esta modificacin comprende una fase transitoria, en la que se producen una serie de fenmenos transitorios provocados por el paso de un estado a otro. Estos fenmenos tienen gran importancia para el diseo de los interruptores y son conocidos como fenmenos elctricos de acoplamiento. Para entender los fenmenos transitorios, hay que considerar un circuito L-C, como el3-13 CFE/CTT


que se muestra en la Fig. 3.14, y que cuando las condiciones del circuito varan, dependiendo de los valores de L y C, ste entrega o demanda energa.

extincin, cuya magnitud depende de la energa electromagntica. La magnitud est dada por las siguientes expresiones:1 2 1 Lil = CV 2 2 2Ve = il L C

L i E S C iC ia

Donde: i l es la corriente en el capacitor en el instante de la interrupcin.

Fig. 3.14 Circuito L-C para ilustrar la interrupcin de una corriente alterna.

V es la tensin de la fuente Vc es la tensin entre contactos

En el instante t1 (ver Fig. 3.15) se inicia la separacin de los contactos del interruptor y se establece un arco, el cual mantiene el flujo de la corriente en el circuito. La corriente total proporcionada por la fuente se divide entre el arco y el capacitor. En un principio, la cada de tensin a travs del arco y la tensin aplicada al capacitor son muy pequeas, tomando el capacitor muy poca corriente. A medida que la cada de tensin a travs del arco aumenta, la corriente en el capacitor tambin aumenta, por lo tanto, la corriente del arco disminuye. Cuando el arco se interrumpe poco antes del cruce por cero de la corriente, debido a la accin de los agentes de-ionizantes, la tensin del capacitor se incrementa bruscamente, produciendo una transitorio en el circuito. El transitorio se amortigua en funcin de la resistencia del circuito. La tensin aplicada entre los contactos se incrementa hasta el punto P, llamado punto de

La tensin entre contactos oscila alrededor del valor de cresta de la tensin de la fuente, que est adelantada 90 con respecto a su corriente. A la tensin sinusoidal producida por la fuente se superpone una oscilacin de tensin a la frecuencia natural del sistema, dada por:f0 =

1 2 LC

Esta tensin transitoria, llamada Tensin Transitoria de Restablecimiento o TTR, puede alcanzar hasta dos veces el valor de cresta de la tensin sinusoidal de la fuente. En un circuito real esta oscilacin se amortigua por la resistencia del circuito.

3-14

CFE/CTT


I

ic 0 il t

i

ia Rd V Vr

0 Ve Vc P t i a = Corriente a travs del arco. ic = Corriente a travs del capacitor. I = ia + i c V = il L/C t1 = Inicia la separacin de los contactos. t2 = Interrupcin del arco. i l = Corriente en el capacitor en el instante de la interrupcin.

t1

t2

Fig. 3.15

Proceso de interrupcin en un circuito L-C con C.A.

Si la rigidez dielctrica Rd del medio de extincin del entrehierro es mayor que la tensin entre los contactos, el arco se extingue y el circuito queda abierto. Si la rigidez dielctrica no es suficiente para soportar la tensin entre los contactos, el arco se reenciende, como se observa en la Fig. 3.15.

3.8

COMPORTAMIENTO DEL ARCO

La caractersticas elctricas del circuito a interrumpir influyen en el comportamiento del arco. La Fig. 3.16 muestra el comportamiento del arco elctrico en un circuito inductivo.

3-15

CFE/CTT


U

B i

Ue

UB

Fig. 3.16

Oscilograma caracterstico de la desconexin de un circuito inductivo en el instante de separacin de contactos (B). El reencendido se produce si los contactos se separan en el valor mximo de la corriente (punto B) o en algn punto cercano a este. Esto se debe a que el prximo cruce por cero es muy pronto y no permite la de-ionizacin del entrehierro de los contactos. En consecuencia, el transitorio de tensin arquea el entrehierro. En la prctica, existe un desplazamiento respecto al tiempo entre la separacin de los contactos y el inicio del corto circuito. Esto se debe principalmente a la inercia, a la accin de los relevadores y otros dispositivos de mando que actan en el interruptor.

En el instante B se inicia la separacin de contactos del interruptor y se establece el arco elctrico. A la tensin del arco se le denomina U B , si sta es despreciable en comparacin con la tensin de la red o del sistema, entonces, el arco se mantiene hasta que la corriente cruza por cero. La extincin o reencendido del arco en el cruce por cero de la corriente, depende de la frecuencia oscilatoria y de la tensin de recuperacin en la cmara de interrupcin. Si la pendiente S de la frecuencia oscilatoria (ver ecuacin siguiente) es lo suficiente elevada, entonces ocurrir un reencendido del arco. S = e = 2 f e e

En la Fig. 3.16 se ha puesto esta condicin de manera que el arco se sostenga o exista por espacio de un semiperiodo adicional, para luego extinguirse definitivamente.

3.9

TRANSITORIOS ELCTRICOS

Un transitorio elctrico es una manifestacin de un cambio sbito de las condiciones de un circuito elctrico, tales como la apertura o

3-16

CFE/CTT


El cambio implica una redistribucin de tensiones, corrientes y energas, que no puede ser en forma instantnea. Esta redistribucin est gobernada por el principio de conservacin de la energa. Cuando se tiene slo L y C, las energas se igualan dando como resultado:1 2 1 LI = CV 2 2 2V =I L C L C

No. de veces la tensin pico del sistema

cierre de un interruptor durante una falla de cortocircuito.

6

4 2

0

% de tensin transitoria que rebasa las ordenadas

Fig. 3.17 Magnitudes de las sobretensiones debidas a interrupcin y fallas.

Z0 =

3.11 LA TENSIN DESPUS DE LA CORRIENTE CERO FINAL

3.10 CONSTANTES Y CONDICIONES DE LOS CIRCUITOS

El funcionamiento de los interruptores en la interrupcin de las corrientes de cortocircuito depende de varios factores que se consideran como condiciones severas. La corriente y la tensin de cortocircuito (ver Fig. 3.18) muestran que al efectuarse la interrupcin al cruce por cero de la corriente, la tensin que aparece en las terminales del interruptor tiene una influencia importante en su funcionamiento. De hecho, la interrupcin exitosa de la corriente depende de esta tensin. Esta tensin en las terminales despus de la interrupcin de corriente, como se ve en la Fig. 3.18, tiene dos componentes: la primera (inmediatamente despus de la interrupcin), llamada tensin transitoria de restablecimiento y la segunda (despus de que se amortiguan las oscilaciones) que alcanza la tensin de 60 Hz, llamada tensin de recuperacin.3-17 CFE/CTT

Las constantes L, C y R del circuito son importantes para el diseo de un interruptor. En la prctica se ha observado que un interruptor que funciona satisfactoriamente para un sistema, puede no hacerlo en otro. Las acciones de interrupcin y ciertas fallas, producen sobre-tensiones. En la Fig. 3.17 se muestran las magnitudes tpicas del sobretensiones. stas son ocasionadas por la energa residual (energa almacenada en la capacitancia C o en la inductancia L), al cambiar el circuito de un estado a otro.


Tensin

Tensin de restablecimiento

e

Tensin de recuperacin Tiempo

i

earco

Fig. 3.18

Formas de las ondas de la tensin de restablecimiento y de recuperacin.

3.11.1 Efecto de la tensin transitoria de restablecimiento

Cualquier sistema o red elctrica puede presentar oscilaciones, por lo que es lgico esperar que la interrupcin de la corriente de falla genere transitorios cuya magnitud y frecuencia dependen de sus parmetros L y C. Este fenmeno se presenta inmediatamente despus de la extincin del arco. La tensin del arco entre los contactos normalmente es baja, mientras que la tensin del sistema est en su valor mximo o cerca de este.

Factor de amplitud. Se define como la relacin del valor mximo de la tensin transitoria al valor mximo de la tensin del sistema, es decir:S= VR E 2

Donde:

VR = SE 2 S = Factor de amplitud E 2 = Valor eficaz de la onda fundamental

3.11.2 Caractersticas de la tensin transitoria de restablecimiento

Las caractersticas ms importantes de la tensin transitoria de restablecimiento y que influyen en el funcionamiento del interruptor son:

Tericamente, puede alcanzar el valor de 2; pero normalmente, en la prctica, no suele exceder de 1.5.

3-18

CFE/CTT


Razn de crecimiento de la tensin transitoria de restablecimiento (RCTTR) . Es una indicacin de la severidad del transitorio y se define como la tangente de la curva de la tensin transitoria de restablecimiento. Se expresa en Volts por microsegundo. Para una TTR de frecuencia simple, la RCTTR se obtiene dividiendo la amplitud mxima de la oscilacin entre el tiempo en que sta se presenta. En la prctica, la operacin de un interruptor es ms rigurosa cuando se usa en una red de frecuencia natural alta, que en una red de frecuencia natural baja, porque la RCTTR es mucho mayor en el primer caso.

y la velocidad de restablecimiento de la tensin: dV 2SEf 0 2 dt kV / seg

3.11.4 Factores que determinan caractersticas de la TTR

las

3.11.3 Frecuencia natural

La razn de crecimiento de la TTR y su valor mximo ocasionan esfuerzos en el entrehierro de los contactos que dependen de la configuracin de la red, de su frecuencia natural y de la posicin relativa de las resistencias (conectadas en paralelo o en serie con la capacitancia principal del circuito), como se ilustra en la Fig. 3.19.

La frecuencia natural de la oscilacin vara en funcin de los parmetros del circuito. sta es ms alta en circuitos de tensiones bajas alcanza valores del orden de hasta 3000 Hz. Para circuitos de tensiones altas, puede alcanzar valores del orden de hasta 400 Hz. La frecuencia natural del sistema determina la velocidad de recuperacin de la tensin en el momento que se interrumpe el arco. Esta velocidad de recuperacin, es un parmetro muy importante en el funcionamiento de ciertos tipos de interruptores y su frmula es: f0 = 1 2 LC

L Rs C (i) Tensin B

L C (ii) Rp B

a)

(i)

(ii)

Tiempo

La frecuencia natural vara segn el punto de la red en que se produce el cortocircuito. Por lo tanto, para seleccionar un interruptor, adems de especificar el valor de la potencia mxima de corto circuito, tambin se requiere especificar el factor de amplitud de la TTR

b)Fig. 3.19 a) Circuitos tpicos de interrupcin con resistencias en serie y en paralelo con la capacitancia del circuito. b) Curvas de la TTR de los circuitos.

3-19

CFE/CTT


La presencia de resistencias en el sistema amortiguan la razn de crecimiento de la TTR. Tambin existen otros factores que tienen influencia directa en la forma de la TTR, stos son: resistencia del conductor, prdidas en el entrehierro, prdidas dielctricas, etc. Tales factores varan en funcin de la frecuencia y la tensin. En una red formada por generadores, transformadores, reactores y lneas de transmisin, cada elemento ejerce su propio amortiguamiento. Por lo general, la atenuacin debida a estos elementos es pequea; cuando se esperan valores altos del RCTTR, se utilizan interruptores con resistencias en paralelo (ver Fig. 3.19). El valor de la resistencia R p necesaria para lograr el amortiguamiento crtico es de:

1 L 2 C En la Fig. 3.20 se muestra una tensin transitoria de restablecimiento amortiguada. La resistencia conectada en paralelo con terminales del interruptor, modifica la TTR en una onda peridica (curva Vc). La incorporacin de la resistencia en paralelo incrementa la capacidad interruptiva del interruptor. En la Fig. 3.21 se muestra la relacin de la RCTTR y la capacidad interruptiva de un interruptor de soplo de aire con y sin resistencias en paralelo en funcin de la frecuencia.

V1 Vc e p 0 earco iFig. 3.20

V2

Onda de restablecimiento (V) amortiguada criticamente

t

Tensin transitoria de restablecimiento (TTR) amortiguada.

3-20

CFE/CTT


3.12 PRINCIPIO DE OPERACIN

La operacin de los contactos de un interruptor se realiza por medios mecnicos. Cuando los contactos se separan se forma un entrehierro entre ellos, constituido de un medio dielctrico e interruptivo (aire, gas SF6, vaco, aceite). En este medio se forma el arco elctrico, a travs del cual la corriente fluye de un contacto a otro. En este entrehierro es donde el circuito es vulnerable a ser interrumpido, ya que la corriente abandona su trayectoria original (contactos) para formar un arco en el medio aislante e interruptivo, cuando se logra disminuir la conductividad de esta trayectoria hasta extinguir el arco, la corriente deja de fluir. Por lo tanto, la interrupcin de un circuito elctrico comprende dos pasos consecutivos:

en el primero se consigue intercalar un entrehierro a la trayectoria original, y el segundo, consiste en eliminar la conductividad del entrehierro. El principio fundamental de este proceso es la velocidad de restablecimiento del medio dielctrico en el entrehierro. Para un entrehierro con un medio aislante gaseoso, el gas es semiconductor a altas temperaturas y en funcin de su enfriamiento se vuelve aislante. Por ejemplo, el aire cambia de un buen conductor (10 mho/cm), a un aislador confiable (10-12 mho/cm), solamente con variar la temperatura de 10,000 a 1,000 K, vase la Fig. 3.22.

Capacidad interruptiva (MVA)

l 2R

RCTTR (V/ S)

lR

2

Frecuencia natural de la red (kHz)

Fig. 3.21 RCTTR y capacidad interruptiva de un interruptor en funcin de la frecuencia. 1-RCTTR sin resistencia. 1R-RCTTR con resistencia en paralelo. 2-Capacidad interruptiva sin resistencia. 2R-Capacidad interruptiva con resistencia.

3-21

CFE/CTT


CONDUCTORES

METAL > 10 mho / cm

5

10

2

PLASMA COMPLETAMENTE IONIZADO

CARBN HNO2 AGUA SALADA SOLUCIN DE SODA AGUA DULCE AGUA DE LLUVIA

100 10 10-2

-4

mho / cm

10-6 10-8 10-10 10-12 10-14

CONDUCTIVIDAD DEBIDA A LA IONIZACIN TRMICA RESISTORES AISLADORES SILICN CARBIDE

CONDUCTIVIDAD POR ELECTRONES

LQUIDOS

PORCELANA VIDRIO COND. POR IONES CONDUCTIVIDAD NO TRMICA RESIDUAL

0.1 0.2

0.5

1

2

5

10 203

50

Fig. 3.22

TEMPERATURA, x 10 K Conductividad elctrica () vs. temperatura del aire a presin atmosfrica.hidrgeno en funcin de la temperatura; se puede ver que el SF6 y el hidrgeno no tienen conductividades trmicas mayores a la del nitrgeno hasta los 1,500 K. El SF6 y el hidrgeno poseen mejores conductividades trmicas que el aire y el nitrgeno a altas temperaturas, lo que los hace mejores medios de extincin.

Exceptuando los sistemas que utilizan materiales semiconductores de soplo magntico y vaco, todos los interruptores trabajan bajo el principio de la descarga de al

guna clase de gas. La Fig. 3.23 muestra la conductividad trmica de los gases SF6, nitrgeno e

3-22

CFE/CTT


10 -1

3x10 -2 W cm K Conductividad trmica ( )

10 -2

3x10 -3

H2 N2

10 -3

3x10 -4 SF6 10 -4300 1000 3000 10 000 30 000

T (

K)

Fig. 3.23

Comportamiento de la conductividad trmica () en funcin de la temperatura del medio gaseoso, T (K).

3.12.1 Proceso de cierre

Los interruptores deben cerrar e interrumpir los circuitos, esto puede ocasionar ciertos problemas, particularmente, si el interruptor cierra en condiciones de falla. Cuando el interruptor est abierto, la tensin en sus terminales es la tensin del sistema, a esta tensin se le denomina tensin de cierre. Al valor mximo de la corriente que fluye al

cerrar el interruptor se le llama corriente de cierre. La potencia de cierre es el producto de la tensin de cierre por la corriente de cierre. El tiempo de cierre de un interruptor es el que transcurre desde el momento de energizar la bobina de cierre hasta la conexin fsica de los contactos principales.

3-23

CFE/CTT


Durante el cierre, existen esfuerzos elctricos entre los contactos a medida que stos se acercan, establecindose arcos de preencendido que ocasionan desgaste adicional de los contactos. El caso ms crtico se presenta cuando el interruptor cierra en condiciones de falla de mxima asimetra.

Debido a que el interruptor interacciona con el sistema elctrico, est sometido a una amplia gama de corrientes con caractersticas capacitivas, inductivas, resistivas o combinaciones de stas. El fabricante de interruptores debe tomar en cuenta los efectos de las corrientes de falla para un diseo adecuado del interruptor. La interrupcin de la corriente consiste en convertir un espacio altamente ionizado en el entrehierro en un buen aislante con el objeto de que la corriente no fluya a travs de l. A medida que la corriente senoidal se aproxima al cruce por cero, el medio aislante ionizado pierde rpidamente temperatura con lo que recupera sus condiciones aislantes. En esta ltima condicin aparece la tensin del sistema en las terminales del interruptor. La velocidad de transicin del medio aislante depende de los parmetros elctricos de la red. El periodo de transicin vara desde algunos milisegundos hasta algunas dcimas de segundo, dependiendo de la corriente, el medio y sistema de extincin del arco, la longitud del arco, etc. Al interrumpirse la corriente, la razn de crecimiento de la TTR y la rigidez dielctrica varan. Si la TTR tiene una razn de crecimiento mayor a la recuperacin de la rigidez dielctrica, se presenta un "reencendido" del arco. Si la recuperacin dielctrica es ms rpida que la razn de crecimiento de la TTR, se tendr una interrupcin exitosa (ver Fig. 3.24).

3.12.2 Proceso de apertura

Si estando cerrado el interruptor se desea interrumpir el circuito, se libera el mecanismo de apertura el cual permite que los contactos principales se separen. La separacin de los contactos genera el arco elctrico. En la apertura, el arco cumple con funciones de gran importancia durante la interrupcin, dependiendo del tipo de medio de extincin usado. La potencia de corto circuito que el interruptor es capaz de interrumpir, est dada por el producto de la corriente de corto circuito simtrica y la tensin de restablecimiento, un ciclo despus de la interrupcin. Generalmente se expresan los kA de corriente interruptiva nominal simtrica para indicar la capacidad de corto circuito del interruptor. El tiempo de interrupcin est dado desde el momento en que se energiza la bobina de apertura hasta la extincin del arco elctrico. Este tiempo consta de 2 partes: el tiempo propio desde la energizacin de la bobina de apertura hasta la separacin fsica de contactos y el tiempo de arco y se expresa en milisegundos o en ciclos.

3-24

CFE/CTT


Se tienen bsicamente dos posibilidades para evitar el reencendido del arco:

T2

Disminuir la razn de crecimiento de la TTR. Acelerar la regeneracin dielctrica del entrehierro.

El interruptor abre y se forma el arco entre el anillo de arqueo del contacto fijo y el contacto mvil. El contacto mvil se desplaza hacia abajo, abriendo an ms. En el cruce por cero de la corriente, se presenta un alto valor dielctrico. El arco se extingue, restablecindose completamente el dielctrico. El interruptor termina el movimiento de contactos y queda en posicin abierto.

T3

Los pasos principales que se llevan a cabo en el proceso de la interrupcin en un circuito de corriente alterna, se presentan con la ayuda de la Fig. 3.25.Descripcin Figura 3.25.

T4 T5

T1

El interruptor en posicin de cerrado, recibe una seal de apertura. Se inicia la separacin de los contactos, con la ayuda del resorte de apertura.

V

1

V 2 l

2

(a) EXTINCIN

t

(b) REENCENDIDO

t

1 RIGIDEZ DIELCTRICA 2 TENSIN TRANSITORIA DE RESTABLECIMIENTO

Fig. 3.24

Proceso de interrupcin de la corriente: (a) Extincin; (b) Reencendido.

3-25

CFE/CTT


TIEMPO DE APERTURA

TIEMPO DE ARQUEO

TENSIN TRANSITORIA DE RESTABLECIMIENTO

CORRIENTE

TENSIN DE RESTABLECIMIENTO TENSIN DE ARCO TENSIN

T1

T2

T3

T4

T5

Fig. 3.25

Proceso de interrupcin de corriente en un circuito de C.A.

3-26

CFE/CTT


CAPTULO 4

PRINCIPALES CARACTERSTICAS NOMINALES

4.1

INTRODUCCIN

Las caractersticas nominales de un interruptor de potencia estn establecidas en las normas nacionales e internacionales aplicables. Estos parmetros nominales se consideran los lmites mnimos de funcionamiento que el dispositivo debe cumplir. Tales lmites se aplican solamente dentro de condiciones de operacin especficas. Las normas nacionales e internacionales contienen diferentes tablas que listan los valores nominales preferidos. Esos valores nominales son slo preferidos porque son los comnmente especificados por los usuarios y son los que, por conveniencia, han

sido seleccionados por las normas. El hecho de que existan tablas o listas con valores preferidos, no excluye la posibilidad de ofrecer otros valores nominales especficos conforme sea requerido, siempre y cuando se cumpla con las normas vigentes y se establezcan de comn acuerdo entre fabricante y usuarios. Para este captulo se consideraron las caractersticas nominales ms importantes contenidas en las especificaciones CFE-V5000-01, que estn inscritas en la placa de datos de los interruptores de potencia y otras caractersticas, de valor conceptual importante, mencionadas en las normas IEC, ANSI y en las Normas NMX. Estas caractersticas, bsicamente son los4-1 CFE/CTT


parmetros de tensin y corriente, aunque tambin se incluyen requerimientos adicionales que son derivados, principalmente, de estos dos parmetros bsicos.

auxiliares, deben disearse para operar en sistemas conectados slidamente a tierra, a una temperatura ambiente mxima de +40 C y un promedio, medido en un periodo de 24 h, de +35 C y una temperatura ambiente mnima de 25 C.

4.2

CONDICIONES NORMALES DE OPERACIN

4.3

CARACTERSTICAS NOMINALES

Las normas ANSI consideran como condiciones normales o usuales de operacin cuando la temperatura ambiente no excede los +40 C y que no est por debajo de los 30C. La altitud normal de operacin es aqulla que no excede los 3,000 ft (pies) o los 1,000 m.s.n.m (metros sobre el nivel del mar). No hace ninguna diferencia entre condiciones de operacin para aplicaciones en interior o en intemperie. La IEC s marca diferencia entre aplicaciones para interior e intemperie. Esta norma especifica un lmite de altitud de 1,000 m.s.n.m. a una temperatura ambiente mxima de +40 C para ambas aplicaciones; sin embargo, adicionalmente especifica que el promedio de temperatura mxima en un periodo de 24 h no debe exceder los +35 C. En cuanto a los lmites inferiores de temperatura, existen dos opciones para cada aplicacin. Para interiores los lmites son 5C y 25C. Para aplicaciones tipo intemperie, los lmites son 25 C y 40 C. Adicionalmente, la norma IEC establece lmites para la temperatura de congelacin y para la velocidad del viento. Por lo que respecta a la Norma NMX-J-IP-1997-ANCE y a la Especificacin CFE V5000-01 consideran que los interruptores de potencia, incluyendo el mecanismo de operacin y los dispositivos4-2

Como se coment en los incisos anteriores, las condiciones de operacin de los interruptores de potencia estn definidas por un cierto nmero de valores caractersticos, designados como caractersticas nominales o valores preferidos, porque son las que sirven para denominarlos y comnmente estn inscritas en la placa de datos del interruptor. Las caractersticas nominales ms importantes de un interruptor son las siguientes: a) Tensin nominal y tensin mxima de diseo. b) Corriente nominal. c) Frecuencia nominal. d) Presin nominal de operacin del gas para maniobra e interrupcin. e) Capacidad interruptiva nominal. f) Capacidad de cierre o de conexin nominal. g) Corriente nominal de tiempo corto. h) Secuencia de operacin nominal. Asimismo, existen otros parmetros de importancia que pueden ser tomados como nominales para cada equipo. Entre estos parmetros se tienen:CFE/CTT


a) Tensin transitoria de restablecimiento (TTR) nominal por falla en terminales. b) Corriente capacitiva interrupcin. nominal de

Factor de rango de tensin nominal (k) El factor de rango de tensin nominal (k) est definido por ANSI como la relacin entre la tensin mxima y el lmite inferior del rango de tensiones de operacin, en l, las capacidades interruptivas simtricas y asimtricas requeridas varan en proporcin inversa a la tensin de operacin. Este factor de rango fue utilizado slo por ANSI, principalmente en interruptores con tecnologas antiguas tales como interruptores en aceite y de soplo magntico en aire, donde una reduccin en la tensin da como resultado un incremento en la capacidad interruptiva. Con las tecnologas modernas, vaco y SF6, este factor ya no es aplicable.

c) Nivel bsico de aislamiento al impulso (NBAI). d) Niveles de contaminacin. A continuacin se definen brevemente las caractersticas y parmetros mencionados:

4.3.1

Tensin nominal y tensin mxima de diseo

A esta caracterstica nominal, ANSI le llama tensin mxima de operacin e IEC la designa como tensin nominal. Esta caracterstica establece el lmite superior de la tensin del sistema para el cual est diseado el interruptor. En condiciones normales de operacin, la tensin del sistema no es constante en ningn momento, por lo que el interruptor debe de garantizar su correcta operacin a la tensin nominal mxima y a la tensin mxima de diseo, que por lo general es mayor que la tensin nominal de operacin del sistema. La tensin mxima de diseo de un interruptor es el valor eficaz mximo (rms) de la tensin entre fases, para la que el interruptor est diseado y representa el lmite superior de tensin del sistema, al cual el interruptor puede operar en forma continua. La Comisin Electrotcnica Internacional (IEC) recomienda los niveles de tensin expresados en la Tabla 4.1, que son los comnmente usados en Mxico.

Tabla 4.1 diseo.

Tensiones nominal y mxima deTENSIN MXIMA DE DISEO ANSI (kV) -4.76 15.5 25.8 38 72.5 121 145 242 -TENSIN MXIMA DE DISEO IEC (kV) 3.6 7.2 17.5 24.0 36.0 72.5 123.0 145.0 245.0 420.0

TENSIN NOMINAL DE OPERACIN (kV) 2.2 4.16 13.8 23.0 34.5 69.0 115.0 138.0 230.0 400.0

4-3

CFE/CTT


4.3.2

Corriente nominal

La corriente nominal es la caracterstica que establece los lmites de elevacin de temperatura del interruptor. La corriente nominal de un interruptor, es el valor eficaz (rms) de la corriente, expresada en amperes, para el que est diseado y que tiene la capacidad de conducir continuamente a la frecuencia nominal, sin exceder los lmites de elevacin de temperatura de los elementos de conduccin del interruptor. Los lmites de temperatura estn dados en trminos de la temperatura total y de la elevacin de la temperatura sobre la temperatura mxima de operacin. Se establece el valor de elevacin de temperatura para simplificar las pruebas del interruptor siempre y cuando la temperatura ambiente est en el rango de 10C a 40C para no aplicar factores de correccin. Los valores de corriente nominal establecidos por IEC son; 630 A; 800 A; 1 250 A; 1 600 A; 2 000 A; 3 150 A; y 4 000 A. Los valores correspondientes especificados por ANSI son; 600 A; 1 200 A; 1 600 A y 2 000 A. La seleccin de la corriente nominal debe estar asociada al lmite mximo de temperatura permisible que se establezca. Esos lmites de temperatura, estn especificados en las normas y se muestran en la Tabla 4.2.

a que en muchos tipos de interruptores, la razn de cambio de la corriente en el cruce por cero es un parmetro ms significativo que el valor de la corriente rms o el valor pico. La frecuencia nominal de un interruptor es la frecuencia de la red para la que el interruptor fue diseado y a la que corresponden las otras caractersticas nominales. Alrededor del mundo se utilizan frecuencias de 50 Hz 60 Hz segn la norma IEC-62271-100. En nuestro pas se t

90557141 manual cfe interruptores potencia

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