Principales aplicaciones de la corriente continua:

• Alimentación de servicios de emergencia y servicios auxiliares.El empleo de corriente continua es debido a la necesidad de disponer de una fuente de energía de reserva que permita la alimentación de servicios esenciales, como sistemas de protección, alumbrado de emergencia, sistemas de alarmas, servicios de hospitales, centros de proceso de datos utilizando, por ejemplo, baterías de acumuladores.
• Tracción éléctrica. Las ventajas, en términos de regulación, que ofrece la utilización de motores de c.c. y la alimentación mediante líneas de contacto a catenaria, hacen de la corriente continua la solución más utilizada para trenes, metros, tranvías, y medios de transporte en general.
• Instalaciones industriales particularesPueden ser instalaciones relativas a procesos electrolíticos, así como aplicaciones a las que se les requiere exigencias particulares de servicio de las máquinas eléctricas.

Las aplicaciones típicas de los interruptores automáticos, son la maniobra, protección y seccionamiento, de líneas, dispositivos y motores.

Consideraciones acerca de la interrupción de la corriente continua

La corriente continua, presenta mayores problemas que la corriente alterna, en lo referente a los fenómenos relativos a la interrupción de corrientes de valor elevado.En corriente alterna, se produce un paso por cero de la corriente en cada semiperíodo, al cual corresponde un apagado espontáneo del arco que se forma cuando se abre el circuito. En corriente continua no existe este fenómeno y para que se produzca la extinción del arco es necesario que la corriente disminuya hasta anularse.

 

Con referencia al circuito de la Figura 1 se puede establecer que:

Figura 1: circuito de corriente continua

(1)

La condición requerida para que la corriente del arco se extinga, se dará cuando su pendiente sea negativa:

es decir, cuando la tensión de arco sea suficientemente elevada para que sea negativa la segunda parte de la ecuación (1).

Prescindiendo de las consideraciones matemáticas derivadas de la resolución de la ecuación (1), se puede llegar a la conclusión de que el tiempo de extinción de la corriente continua, a igualdad de otras condiciones, es proporcional a la constante de tiempo del circuito T = L/R y a la constante de extinción. La constante de extinción, depende de la característica de arco y de la tensión de alimentación del circuito.

La Figura 2 representa un oscilograma relativo a un ensayo de cortocircuito efectuado en el el laboratorio de ensayos de potencia de ABB Sace. Al producirse el cortocircuito en el instante to, los contactos del interruptor empiezan a alejarse dando lugar a un arco a partir del instante ts. En el período to – ts la corriente aumenta, para seguidamente decrecer con dependencia del valor elevado de la resistencia de arco que se va introduciendo en el circuito.

Figura 2: oscilograma de un ensayo de cortocircuito

Como se puede observar en el gráfico, durante el proceso de interrupción la tensión de arco se mantiene superior a la tensión de alimentación del circuito.

La energía disipada en el arco, es igual a la energía magnética del circuito, más la diferencia entre la suministrada por la fuente y la disipada por efecto Joule en la resistencia del circuito, durante el tiempo ta.

Es necesario que la interrupción se produzca de forma gradual sin interrupciones bruscas de corriente, que darían lugar a sobretensiones elevadas. Esto puede ser realizado alargando y enfriando el arco, de modo que se inserte en el circuito una resistencia que progresivamente se vaya elevando.

Los fenómenos de naturaleza energética que se desarrollan en el circuito dependen del nivel de tensión de servicio de la instalación y hacen necesario instalar interruptores automáticos con los polos puestos en serie, para incrementar sus prestaciones en condiciones de cortocircuito. El poder de corte del interruptor automático, es mayor, cuanto mayor es el número de contactos que abren el circuito y por consiguiente, cuanto mayor es la tensión de arco aplicada.

Esto también significa, que al aumentar la tensión de servicio de la instalación, en necesario incrementar el número de interrupciones de corriente y por consiguiente, de polos en serie.

Cálculo de la corriente de cortocircuito de una batería de acumuladores

Debido a la baja resistencia interna de las baterías de acumuladores, las corrientes de defecto en corriente continua, son generalmente muy elevadas en las proximidades de los bornes de las mismas.

El valor de la corriente de cortocircuito en bornes de una batería de acumuladores, puede ser suministrada por el fabricante de la batería, o bien puede ser calculado mediante la relación:

donde:

· U_Max es la tensión máxima de descarga (tensión en vacío);

· R_i es la resistencia interna de los elementos que constituyen la batería.

La resistencia interna la indican generalmente los fabricantes, pero también puede ser calculada a través de la característica de descarga que se puede obtener mediante un ensayo según lo indicado en las normas IEC 60896 – 1 o IEC 60896 – 2.

A título de ejemplo una batería de 12.84 V y de resistencia interna 0.005 W suministra en bornes una corriente de cortocircuito de 2568 A.

En condiciones de cortocircuito, la corriente crece muy rápidamente en los instantes iniciales, pero una vez alcanzado el valor máximo, empieza a decrecer ya que va disminuyendo la tensión de descarga de la batería. Naturalmente, este valor elevado de la corriente de defecto, provoca calentamientos intensos en el interior de la batería, debido a su resistencia interna, pudiendo provocar la explosión de la misma. Es por consiguiente muy importante, en los sistemas de corriente continua alimentados por baterías de acumuladores, prevenir y/o minimizar las corrientes de cortocircuito.

 

Datos necesarios para la elección de los interruptores automáticos

Para una correcta elección de interruptores automáticos para protección de redes de corriente continua, deben tenerse en cuenta los siguientes factores:

1. la corriente de utilización, en función de la cual se determina el tamaño o corriente asignada del interruptor automático y el ajuste del relé de sobreintensidad termomagnético;

2. la tensión de servicio, en función de la cual se determina el número de polos a conectar en serie, aumentando de ese modo también el poder de corte de los aparatos;

3.la corriente de cortocircuito prevista en el punto de instalación del interruptor automático, de la cual depende la elección de dicho interruptor;

4. el tipo de red, o sea el tipo de conexión respecto a tierra.

 

Tipos de redes de corriente continua

Las redes de corriente continua pueden ser realizadas:

- con ambas polaridades aisladas de tierra;

- con una polaridad puesta a tierra;

- con el punto medio de la alimentación puesto a tierra.

Redes con ambas polaridades aisladas de tierra

Figura 3: red de corriente continua aislada de tierra

- Defecto a: el defecto franco entre las dos polaridades, establece una corriente de cortocircuito a la que contribuyen ambas polaridades a la plena tensión U, y en función de las cuales, debe elegirse el poder de corte del interrruptor automático.

- Defecto b: el defecto franco entre la polaridad y tierra, no tiene consecuencias desde el punto de vista de funcionamiento de la instalación.

- Defecto c: este defecto franco entre la polaridad y tierra, tampoco tiene consecuencias desde el punto de vista de funcionamiento de la instalación.

En redes aisladas, es necesario instalar un dispositivo capaz de señalizar la presencia del primer defecto a tierra, con objeto de poder eliminarlo rápidamente. En las peores condiciones y en el caso de que se presentase un segundo defecto a tierra, el interruptor automático podría verse obligado a interrumpir la corriente de cortocircuito con la tensión plena aplicada a un solo polo y por consiguiente, con un poder de corte que podría ser insuficiente (ver figura 4).

Figura 4: segunda falta a tierra

El las redes con ambas polaridades aisladas de tierra, es necesario repartir el número de polos del interruptor automático, utilizados para la interrupción sobre cada polaridad (positiva y negativa), de modo que se obtenga también el seccionamiento del circuito.

Los esquemas a utilizar son los siguientes:

- Esquema A: interruptor automático tripolar, con un polo por polaridad.

- Esquema B: interruptor automático tripolar, con dos polos en serie para una polaridad y un polo para la otra polaridad[1].

 

- Esquema D: interruptor automático tetrapolar, con dos polos en paralelo por polaridad.

- Esquema G: interruptor automático tetrapolar, con tres polos en serie sobre una polaridad y un polo en la otra polaridad¹.

- Esquema H: interruptor automático tetrapolar, con dos polos en serie por polaridad.

 

Red con una polaridad puesta a tierra

Figura 5: red de corriente continua con una polaridad puesta a tierra

- Defecto a: el defecto franco entre las dos polaridades, establece una corriente de cortocircuito a la que contribuyen ambas polaridades a la plena tensión U y en función de las cuales es necesario elegir el poder de corte del interruptor automático.

- Defecto b: el defecto sobre la polaridad no puesta a tierra, establece una corriente que implica a las protecciones de sobreintensidad, en función de la resistencia del terreno.

- Defecto c: el defecto franco entre la polaridad puesta a tierra y la tierra, no tiene consecuencias desde el punto de vista de funcionamiento de la instalación.

En la red con una polaridad puesta a tierra, todos los polos del interruptor automático deben ser conectados en serie sobre la polaridad que no está puesta a tierra. Si se quiere realizar también el seccionamiento, es necesario prever un polo de interrupción en la polaridad puesta a tierra.

Los esquemas con seccionamiento del circuito a utilizar, son los siguientes:

- Esquema A: interruptor automático tripolar, con un polo por polaridad.

- Esquema B: interruptor automático tripolar, con dos polos en serie sobre la polaridad no puesta a tierra y un polo sobre la otra polaridad.

- Esquema D: interruptor automático tetrapolar, con dos polos en paralelo por polaridad.

- Esquema G: interruptor automático tetrapolar, con tres polos en serie sobre la polaridad no puesta a tierra y un polo sobre la otra polaridad.

Los esquemas sin seccionamiento del circuito a utilizar, son los siguientes:

- Esquema C: interruptor automático tripolar, con tres polos en serie.

- Esquema E: interruptor automático tetrapolar, con serie de dos polos en paralelo.

- Esquema F: interruptor automático tetrapolar, con cuatro polos en serie sobre la polaridad no puesta a tierra.

Red con el punto medio de la alimentación puesto a tierra

Figura 6: red de corriente continua con el punto medio conectado a tierra

 

- Defecto a: el defecto franco entre las dos polaridades, establece una corriente de cortocircuito a la que contribuyen ambas polaridades, a la plena tensión U y en función de las cuales debe escogerse el poder de corte del interruptor automático.

- Defecto b: el defecto franco entre la polaridad y tierra, establece una corriente de cortocircuito inferior a la relativa al defecto entre dos polaridades, ya que está alimentada a una tensión igual a 0.5 U.

- Defecto c: el defecto franco en este caso, es análogo al caso precedente, pero concierne a la polaridad negativa.

En las redes con el punto medio de la alimentación puesto a tierra, el interruptor automático debe ser necesariamente incluido en ambas polaridades.

Los esquemas a utilizar son los siguientes:

- Esquema A: interruptor automático tripolar, con un polo por polaridad.

- Esquema D: interruptor automático tetrapolar, con dos polos en paralelo por polaridad.

- Esquema H: interruptor automático tetrapolar, con dos polos en serie por polaridad.

Utilización de los interruptores automáticos en corriente continua

Conexión en paralelo de los polos del interruptor automático

En función del número de polos conectados en paralelo, es necesario aplicar los coeficientes indicados en la siguiente tabla:

Tabla 1: factores de reducción por polos en paralelo

Las conexiones a los terminales del interruptor automático, deben ser realizadas por el usuario de tal forma que se garantice una distribución de corrientes en los polos, lo más equilibrada posible.

Ejemplo:

Utilizando un interruptor Isomax S6N800 R800 con los tres polos en paralelo se debe aplicar el coeficiente 0.8 por lo que la máxima corriente de empleo será de 0.8x3x800 = 1920 A.

Comportamiento de los relés térmicos

Dado que el funcionamiento de estos relés está basado en el fenómeno térmico debido al paso de la corriente, pueden ser utilizados en corriente continua y su característica de actuación permanece inalterada. Comportamiento de los relés magnéticos Los valores de los umbrales de actuación de los relés magnéticos para corriente alterna, cuando se utilizan con corriente continua, deben ser multiplicados por los siguientes coeficientes en función del interruptor y del esquema de conexión:

Tabla 2: factores de corrección (k_m) del umbral del relé magnético

Ejemplo

Datos:

- red de corriente continua, conectada a tierra;

- tensión asignada Ur = 250 V; - corriente di cortocircuito Ik = 32 kA

-corriente asignada In = 230 A

Utilizando la tabla 3, es posible elegir el interruptor automático ABB Sace T3N250 R250 tripolar, utilizando la conexión representada en el esquema B, o sea con dos polos en serie para la polaridad no puesta a tierra y un polo en serie para la otra polaridad.

En la tabla 2, en correspondencia con el esquema B y el interruptor automático T3, se puede leer k_m=1.15, por lo tanto el disparo magnético nominal se producirá a 2875 A (teniendo en cuenta las tolerancias, entre 2300 A y 3450 A).

 

La siguiente tabla, indica el poder de corte para los distintos interruptores automáticos disponibles para corriente continua. Entre paréntesis, se indica el número de polos a conectar en serie, para garantizar el poder de corte.

Tabla 3: poderes de corte

 

 

¹ Tensión mínima permitida 24 V c.c.