Interruptores automáticos ABB para aplicaciones en corriente continua
Consideraciones acerca de la interrupcción de la corriente continua
La corriente continua presenta problemas distintos a los de la corriente alterna, en lo referente a los fenómenos asociados a la interrupción de corrientes de valor elevado, puesto que la extinción del arco resulta especialmente difícil.
Como muestra la Figura 7, en la corriente alterna se produce un paso natural de corriente por cero en cada semiperiodo, lo cual se corresponde con el apagado del arco durante la apertura del circuito. En la corriente continua no existe este paso natural, así que para garantizar la extinción del arco es necesario que la corriente disminuya hasta anularse (forzando el paso de la corriente por cero).
Para entender lo anterior conviene referirse al circuito mostrado en la siguiente figura:
Esta relación se da cuando la tensión de arco (Ua) es lo suficientemente elevada como para que la primera parte de la ecuación (1) sea negativa. Prescindiendo de lasconsideraciones matemáticas derivadas de la resolución de la ecuación (1), se puede llegar a la conclusión de que el tiempo de extinción de una corriente continua es proporcional a la constante de tiempo del circuito T = L/R y a la constante de extinción.
La constante de extinción es un parámetro que depende de la característica de arco y de la tensión de alimentación del circuito.
La figura siguiente muestra un oscilograma relativo a un ensayo de cortocircuito realizado en los laboratorios de ensayo de potencia de ABB SACE.
Al verificarse un cortocircuito en el instante to, la corriente empieza a aumentar conforme a la constante de tiempo del circuito. Los con¬tactos del interruptor automático empiezan a separarse y dan lugar a un arco a partir del instante ts.
La corriente sigue aumentando durante un breve instante también tras el inicio de la apertura del contacto, para seguidamente decrecer en función del valor cada vez más elevado de la resistencia de arco que se introduce progresivamente en el circuito. Como se puede observar en el gráfico, durante la interrupción, la tensión de arco se mantiene superior a la tensión de alimentación del circuito.
La corriente está completamente extinguida en ta. Como muestra el gráfico, la corriente de cortocircuito representada por la línea amarilla se extingue sin interrupciones bruscas, las cuales podrían causar picos de tensión elevados.
En consecuencia, para lograr una extinción gradual (el gráfico representa el descenso de Ip), es necesario enfriar y alargar el arco, de modo que se inserte en el circuito una resistencia de arco cada vez más elevada (con el consiguiente aumento de la tensión de arco Ua). Esta extinción implica fenómenos energéticos que dependen del nivel de tensión de la instalación (Un) y hacen necesario instalar interruptores automáticos conforme a los esquemas de conexión con polos en serie, para incrementar sus prestaciones en condiciones de cortocircuito (de hecho, el poder de corte del interruptor automático será mayor cuanto mayor sea el número de contactos que abren el circuito).
Esto significa que, al aumentar la tensión, es necesario incrementar el número de interrupciones de corriente en serie, de manera que se obtenga un incremento de la tensión de arco y, por consiguiente, un número de polos para la operación de corte adecuado para el nivel de defecto.
Para la modalidad de conexionado de los polos en relación a la tipología de red, se debe consultar el próximo apartado: «Elección del dispositivo de protección».
En síntesis: para poder interrumpir una corriente de cortocircuito en un sistema de CC, es necesario utilizar interruptores automáticos capaces de asegurar:
- disparo rápido con una capacidad de corte suficiente;
- elevada capacidad de limitación de corriente de falla
- efecto de reducción de la sobretensión.
Elección del dispositivo de protección
Para el dimensionamiento correcto de un interruptor automático en una red en corriente continua, deben evaluarse algunos parámetros eléctricos que caracterizan al dispositivo propiamente dicho. A continuación se ofrece una breve descripción de estos parámetros, los cuales se mencionan en las páginas siguientes.
Tensión asignada de empleo Ue
Representa el valor de tensión que determina el uso del equipo y al cual se refieren todos los demás parámetros típicos del equipo.
Intensidad asignada permanente Iu
Representa el valor de la corriente que el equipo puede soportar durante un tiempo indefinido (servicio ininterrumpido). Este parámetro se usa para definir el tamaño del interruptor automático.
Intensidad nominal In
Representa el valor de corriente que caracteriza el relé de protección montado en el interruptor automático y determina la característica de protección del propio interruptor automático conforme a los ajustes del relé de protección. Esta corriente se refiere a menudo a la intensidad nominal de la carga protegida por el propio interruptor automático.
Poder de corte último Icu
El poder de corte último de un interruptor automático es el valor de corriente de cortocircuito máximo que el interruptor automático puede cortar dos veces (siguiendo la secuencia O – t – CO) a la tensión de funcionamiento asignada correspondiente. Después de la secuencia de apertura y cierre, no es necesario que el interruptor automático soporte su intensidad nominal.
Poder asignado de corte de servicio en cortocircuito Ics
El poder asignado de corte de servicio en cortocircuito de un interruptor automático es el valor de corriente de cortocircuito máximo que el interruptor automático puede cortar tres veces (siguiendo la secuencia O - t - CO - t – CO) a una tensión de funcionamiento assignada definida (Ue) y a una constante de tiempo definida (para corriente continua). Después de esta secuencia, el interruptor automático debe poder conducir su corriente asignada.
Corriente asignada de corta duración Icw
La corriente asignada admisible de corta duración es la máxima corriente que el interruptor automático puede conducir durante un breve tiempo determinado en condiciones especiales. El interruptor automático debe ser capaz de conducir esta corriente durante el tiempo de retardo de corta duración, a fin de asegurar la selectividad entre los interruptores automáticos en serie.
Dimensiones de los interruptores automáticos
En las páginas anteriores se han definido las características eléctricas principales de un interruptor automático, las cuales son necesarias para la correcta elección del interruptor automático a fin de garantizar la protección de la instalación.
Para llevar a cabo el dimensionamiento es necesario conocer las siguientes características de la red:
- el tipo de red para definir la conexión de los polos del interruptor automático conforme a las condiciones de defecto posibles;
- la tensión nominal de la instalación (Un) para definir la tensión de empleo (Ue) en función de la conexión de polos mediante la verificación Un ≤ Ue.
- la corriente de cortocircuito en el punto de instalación del interruptor automático (Ik) para definir la versión del interruptor automático (en función de la conexión de los polos), mediante la verificación de la relación correspondientes Ue);
- la corriente nominal absorbida por la carga (Ib) para definir la intensidad nominal (In) de la unidad de disparo termomagnética o del nuevo relé electrónico en CC (PR122-PR123/DC para Emax), mediante la verificación Ib ≤ In.
Procedimientos para garantizar el correcto dimensionamiento de un interruptor automático:
El diagrama siguiente resume de forma esquemática la selección que debe realizarse para dimensionar correctamente el interruptor au¬tomático en relación con las características de la instalación.
Uso de equipamiento de corriente alterna en corriente continua
Variación del disparo magnético
Las unidades de disparo termomagnéticas montadas en interruptores automáticos de corriente alterna también se adaptan para su uso en corriente continua.
La parte relativa para la protección térmica no cambia con referencia a su característica de disparo, puesto que las tiras bimetálicas de las unidades de disparo son influidas por el calentamiento que provoca el flujo de corriente, independientemente de si ésta es alterna o continua: de hecho, las tiras bimetálicas son sensibles al valor eficaz.
Por lo que respecta a la protección instantánea contra cortocircuito debido a fenómenos ferromagnéticos, el disparo instantáneo se produce a un valor diferente en comparación con el caso análogo en corriente alterna (el área verde en la figura muestra la variación del disparo magnético). Un coeficiente denominado km, variable en función del interruptor automático y del tipo de conexión de sus polos, permite derivar el umbral del disparo instantáneo en corriente continua a partir del valor relevante en corriente alterna; en conse¬cuencia, este coeficiente debe ser aplicado al umbral I3.
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