Los cuadros de Media Tensión con envolvente metálica del tipo a prueba de arco interno son una realidad ya consolidada en prácticamente todos los ámbitos de aplicación de cuadros de Media Tensión.
La norma EN 60298 relativa a este tipo de cuadros publicada en 1969 como IEC 298 ya en su edición de 1981 recogía como un anexo el método para realizar la prueba de arco interno. Esta prueba considerada del tipo especial y sujeta a un acuerdo entre el constructor y el utilizador sirve para evaluar los efectos producidos por un arco debido a un fallo interno.
Para los cuadros de Baja Tensión, según la norma EN 60439-1 de Octubre 2001 no se contempla el caso de la prueba de arco interno, sin embargo en la tercera NOTA del punto 7.5.1. se indica que “Es deseable proporcionar el mayor grado posible de protección a las personas en el caso de un defecto que de lugar a la formación de un arco en el interior de un CONJUNTO, aunque el objetivo primordial debe ser evitar o limitar la duración de estos arcos mediante un diseño adecuado”. Actualmente y fruto de los trabajos del subcomite 17D de la IEC se ha publicado el documento IEC 61641 (1996), primera publicación como documento 17D (Secretariat) 141 de Marzo 1994 con él titulo “Guía para el ensayo de los cuadros de Baja Tensión en condiciones de arco interno” (TECHINAL REPORT IEC de tipo 3).
Por tratarse de un raport técnico de tipo 3, el documento no tiene el valor de una norma y por tanto los ensayos no son obligatorios, constituye solamente una referencia técnica de cómo realizar este ensayo en el caso de que un acuerdo entre suministrador y utilizador prevea la verificación de esta característica del cuadro.
Defectos internos
Las causas que pueden dar lugar a un arco interno en un cuadro de Baja Tensión de distribución o de control de motores son múltiples y de diversa naturaleza.
En la tabla I se han recopilado los datos recogidos en una encuesta realizada en instalaciones industriales de los sectores petroquímicos, acerías y navales, así como la experiencia recogida por ABB en intervenciones de reparación y reposición.
Tabla I
Efectos de los defectos internos
Defectos sin arco
Cuando se produce un defecto que no da lugar a un arco se producen los siguientes efectos:
Efecto mecánico producido por las fuerzas electromagnéticas que son proporcionales al cuadrado de la corriente de cresta y que dan lugar a esfuerzos mecánicos en todos los componentes que conducen la corriente, tal como contactos, terminales de cables, etc.
Efecto térmico proporcional al producto I2t por la resistencia del defecto y que da lugar al calentamiento de todos los componentes que conducen la corriente, con particular incidencia en los puntos de resistencia más elevada tal como, uniones de barras, contactos deslizantes, derivaciones, secciones inferiores, etc.
El ensayo de corta duración previsto en la norma EN 60439-1 puede demostrar la capacidad del cuadro para soportar este tipo de solicitaciones.
Defectos con arco
Cuando se produce un defecto con un arco se producen los siguientes efectos:
Efecto mecánico producido por las fuerzas electromagnéticas proporcionales al cuadrado de la corriente de cresta.
Efecto térmico proporcional al producto de I2t por la resistencia del arco, que da lugar a:
- Un elevado gradiente térmico por el rápido e intenso calentamiento del aire.
- Elevado gradiente de presión en forma de onda de presión.
- Elevada ionización del aire con disminución de la resistencia dieléctrica.
El ensayo de corta duración previsto en la norma EN 60439-1 no puede demostrar la capacidad del cuadro para soportar este tipo de solicitaciones.
El fenómeno del arco interno
Cuando se produce un arco eléctrico en el interior de un cuadro la energía que se libera se expresa con la integral:
Donde:
U es la tensión que se establece en el anodo, el catodo y a largo del arco, muy variable a lo largo del tiempo de duración del arco.
I es la corriente de arco y de valor sensiblemente inferior a la corriente de cortocircuito prevista en ese punto.
Ta tiempo de duración del arco desde su inicio hasta su extinción definitiva, y que depende del tiempo de corte del dispositivo de protección situado aguas arriba del punto donde se ha manifestado el defecto.
El efecto mecánico debido al fenómeno del arco es de tipo explosivo y origina una onda de presión causada por el repentino calentamiento de un volumen reducido de aire. Por este motivo las paredes internas del cuadro, las puertas y otros componentes de la celda donde se produce el arco quedan sometidas a presiones del orden de 0,5 ¸ 1,5 bar de duración 10-20 ms.
Los efectos térmicos debidos a la elevada temperatura alcanzada en el arco provocan una transmisión de energía irradiada a los componentes más cercanos como consecuencia se produce la fusión de metales, la carbonización de materiales aislantes con formación de gases, vapores y humos que pueden escapar del cuadro.
El efecto mecánico se manifiesta al inicio del arco y dura un tiempo de 10-20 ms el efecto térmico tiene la duración del tiempo de arco.
Con la experimentación en el laboratorio se ha llegado a la expresión matemática que define en función de la potencia del arco, el desarrollo y el valor cresta de la presión interna, considerando la celda vista como un sistema cerrado.
Donde:
P es la presión
h es un coeficiente obtenido por experimentación (0,4 ¸ 0,8) que tiene en cuenta que una parte de la energía se consume en fundir o vaporizar los metales y los aislantes.
3 ui es la potencia del arco referenciado a un sistema trifásico.
V es un coeficiente que tiene en cuenta la relación entre el calor especifico del aire a presión constante y el calor especifico a volumen constante (1,4 para el aire).
Considerando la influencia de una válvula de escape la formula queda:
Donde:
S es el área del escape de gases
C la velocidad del sonido en el aire
Ap la diferencia de presión respecto al ambiente .
Características de los cuadros resistentes a los arcos internos
Conociendo las solicitaciones a las que se va sometiendo un cuadro en un arco interno es posible realizar un diseño que partiendo de una solución técnica avanzada consiga garantizar las prestaciones que se demanden y ofrecer un cuadro seguro para el personal o un precio de mercado.
Para este diseño se han tenido en cuenta las siguientes condiciones:
- Elevada segregación, recomendable forma 4
- Estructura con soluciones de origen robustas y capaces de soportar estas solicitaciones.
Realizada la elección de la estructura y la segregación se consigue.
- Acceso a una zona del cuadro sin peligro de contactos accidentales a partes con tensión.
- Evitar que los gases calientes producidos en el interior del cuadro se transmitan al exterior donde se encuentre el operador del cuadro.
- Limitar los efectos del arco a la zona donde se producen en el interior del cuadro.
Condiciones para realizar el ensayo
El ensayo debe ser realizado con una muestra nueva no sometida anteriormente a un ensayo de arco ó bien sobre una muestra ya ensayada pero que ha sido limpiada y reparada.
Las condiciones del ensayo han de ser lo más parecidas posibles a las normales de servicio. No se requiere la simulación del local donde se instalará el cuadro.
La muestra ha de estar completamente equipada con todos sus componentes internos. Para el ensayo se pueden utilizar modelos de los componentes pero con la condición de que tengan el mismo volumen que la muestra y que no falseen el resultado del ensayo.
Deben mantenerse operativas las medidas para protección de las personas.
Parámetros para realizar el ensayo
La tensión aplicada ha de ser igual al valor más elevado de la tensión asignada de aislamiento del cuadro con una tolerancia +5%.
La corriente debe ser especificada por el fabricante y puede ser inferior a la de corta duración.
La frecuencia ha de ser la asignada de 50 Hz ó 60 Hz, la frecuencia al inicio del ensayo ha de estar comprendida entre 48 Hz y 62 Hz.
La duración debe ser especificada por el fabricante y elegida en función del tiempo de respuesta de los dispositivos de protección.
En cualquier caso nunca ha de ser inferior a 0,1 s y normalmente nunca es superior a 0,5 s. En el caso de alimentación desde un transformador, una duración de 0,3 s se considera razonable teniendo en cuenta el tiempo de maniobra del interruptor de media tensión.
El factor de potencia debe corresponder con el definido en la norma EN 60439-1, por ejemplo: cos j = 0,25 para corrientes hasta 50 kA y 0,2 para corrientes mayores de 50 kA.
Alimentación del arco
La alimentación debe realizarse donde este previsto en servicio, si son posibles más de uno se elegirá aquel donde sean previsibles las máximas solicitaciones.
En caso de utilizar conductores de conexión provisionales se debe asegurar que no se creen nuevos puntos de escape de la presión o incrementos de la rigidez.
La conexión de la alimentación debe ser realizada de tal manera que no afecte al comportamiento que tendría el arco en las condiciones de servicio.
Ignición del arco
La ignición del arco ha de ser trifásica a fin de permitir que el arco se convierta en un arco trifásico.
El arco se iniciará entre las fases mediante un hilo de cobre y ha de involucrar a todas las fases que no han de estar conectadas a tierra.
El diámetro del hilo, que estará desnudo, se eligirá en función de la corriente de ensayo:
Los puntos de ignición del arco deben elegirse de forma tal que los efectos del arco resultante produzcan las máximas solicitaciones en la unidad funcional.
Los puntos de ignición del arco deben elegirse donde según la experiencia, pueda formarse un arco interno:
- Puntos de unión y de conexión de los conductores principales.
- Partes activas no aisladas por encima de la aparamenta de maniobra y protección.
- Zona de terminales de cables.
El hilo de ignición debe unir conductores accesibles y sin aislamiento.
No se han de desmontar ni destruir protecciones o fundas aislantes ni perforar aislamientos sólidos.
Indicadores
Consistirán en trozos de cretona negra de 150 mm x 150 mm, montados en un soporte de tal manera que no se enciendan mutuamente y situados a una altura máxima de 2 m. Y a una distancia de 30 cm ± 5% del cuadro enfrente de los puntos donde sea posible la emisión de gases calientes. (uniones, mirillas, puertas, etc.)
Condiciones para un resultado positivo
No se han de abrir las puertas ni se han de desmontar los paneles fijados correctamente.
No se producen proyecciones de partes que puedan representar un peligro. Estas partes pueden ser grandes componentes o pequeños pero con aristas, bordes o puntas cortantes.
No se producen orificiones en la envolvente como consecuencia de combustión u otra cualquiera.
No se han de incendiar los trozos de cretona dispuestos en torno al cuadro.
Se ha de mantener la conexión equipotencial de las partes accesibles del cuadro. Los cuadros MNS y MNS R en sus versiones acceso anterior y posterior han sido sometidos a ensayos para demostrar su capacidad para soportar los efectos de un arco interno.