arcos de defecto en los juegos de barras de los...
TRANSCRIPT
Cuaderno Técnico nº 038
Arcos de defecto en los juegos debarras de los cuadros
G. BouvierA. Ducluzaux
Cuaderno Técnico Schneider n° 038 / p. 2
La Biblioteca Técnica constituye una colección de títulos que recogen las novedadeselectrotécnicas y electrónicas. Están destinados a Ingenieros y Técnicos que precisen unainformación específica o más amplia, que complemente la de los catálogos, guías de producto onoticias técnicas.
Estos documentos ayudan a conocer mejor los fenómenos que se presentan en las instalaciones,los sistemas y equipos eléctricos. Cada uno trata en profundidad un tema concreto del campo delas redes eléctricas, protecciones, control y mando y de los automatismos industriales.
Puede accederse a estas publicaciones en Internet:
http://www.schneiderelectric.es
Igualmente pueden solicitarse ejemplares en cualquier delegación comercial de Schneider ElectricEspaña S.A., o bien dirigirse a:
Centro de Formación Schneider
C/ Miquel i Badia, 8 bajos
08024 Barcelona
Telf. (93) 285 35 80
Fax: (93) 219 64 40
e-mail: [email protected]
La colección de Cuadernos Técnicos forma parte de la «Biblioteca Técnica» del Grupo Schneider.
Advertencia
Los autores declinan toda responsabilidad derivada de la incorrecta utilización de las informaciones y esquemasreproducidos en la presente obra y no serán responsables de eventuales errores u omisiones, ni de las consecuenciasde la aplicación de las informaciones o esquemas contenidos en la presente edición.
La reproducción total o parcial de este Cuaderno Técnico está autorizada haciendo la mención obligatoria:«Reproducción del Cuaderno Técnico nº 038 de Schneider Electric».
cuadernotécnico no 038
Arcos de defecto enlos juegos de barrasde los cuadros
Por: G. Bouvier y A. Ducluzaux
Trad.: Ll. Figueras
Edición francesa: abril 1983
Versión española: octubre 1996
Georges BOUVIER
Ingeniero IEG, entró en MerlinGerin en 1948, después de habersido profesor de enseñanzastécnicas.
Dirigió el laboratorio de ensayosde gran potencia, los serviciostécnicos BT y la investigación deaparamenta de baja tensión.
Sus trabajos originaron laaparición de los primerosinterruptores automáticosselectivos DMG, utilizados en lamarina, así como de losprimeros interruptoresautomáticos limitadores (1954),capaces de cortar hasta 100 000A eficaces en BT.
Dejó su actividad profesional en1970.
André DUCLUZAUX
Ingeniero ESME en 1950 ylicenciado en Ciencias en 1951,entró en los establecimientosMerlin Gerin en 1952.
Desde el principio participó enlos estudios de cuadrosprefabricados BT, después en lapuesta a punto de la aparamentade la unidad de ensayos depotencia.
En 1960 en la oficina de estudiospara los interruptoresautomáticos BT de granintensidad desarrolló losinterruptores automáticos DA ydespués se le encargó de lasinvestigaciones en BT.
En 1969 pasó a ser responsablede proyecto en el Departamentode Investigaciones Generales.
Es en este marco dondedesarrolla, a partir del efectoThompson, un nuevo conceptode interruptores automáticosultrarrápidos para los limitadoresde muy gran intensidad.
Cuaderno Técnico Schneider n° 038 / p. 4
Índice
Arcos de defecto en los juegosde barras de los cuadros
Resumen
No puede considerarse nula la probabilidad de aparición de un arco de defectoen un juego de barras. Su comportamiento y su velocidad se han estadoanalizando con un dispositivo que realiza series de fotografías a una frecuenciaelevada. Parece que los destrozos provocados por el arco son tanto menorescuanto mayor es su velocidad y si su recorrido no se bloquea. Tanto elfabricante como el instalador y el usuario deben tomar todas las precaucionespara reducir la probabilidad de aparición de un arco y sus consecuencias.
1 Nacimiento del arco de defecto p. 5
2 Comportamiento del arco defecto p. 6
3 Reducción de la probabilidad del aparición de un arco p. 10
4 Limitación de las consecuencias de un arco p. 11
Bibliografía p. 13
Introducción
La aparición de un arco de defectoentre las barras de un cuadro es unaccidente cuya probabilidad esextremadamente pequeña si lainstalación está bien diseñada,construida y mantenida.
Los datos estadísticos recogidosdurante largo tiempo y en un grannúmero de instalaciones en serviciomuestran que esta probabilidad,desgraciadamente, no es nula.
Teniendo en cuenta las gravesconsecuencias que se derivan deuna descarga en un cuadro (paradade la producción de una fábrica,coste de la puesta en servicio,accidentes de personas) resulta claroque tanto el diseñador como elinstalador y el usuario deben deponer todo su empeño en conseguirque la probabilidad de aparición delarco sea muy pequeña y que, si llegaa producirse, sus consecuenciassean mínimas.
Cuaderno Técnico Schneider n° 038 / p. 5
Las causas de aparición de un arcode defecto en una instalación puedenclasificarse en tres categorías:
n las causas evolutivas;
n las causas mecánicas;
n las sobretensiones.
Las causas evolutivas
Son consecuencia de undebilitamiento progresivo de laresistencia de aislamiento entrefases o entre fases y masa.
Este debilitamiento puede serconsecuencia de depósitos que, sise produce una condensación o unestado higrométrico excepcional,pueden provocar la formación de unpunto de resistencia superficial talque puede abrirse una brecha en lasuperficie del aislante.
Según la naturaleza del aislante, estedefecto inicial puede eliminarse porsí mismo o empeorarse, creando unarco de defecto.
Este fenómeno se constata a vecesal volver a conectar una instalacióndespués de varios días de paro,período en el que pueden producirsecondensaciones al no estar ya lainstalación a una temperaturasuperior a la del ambiente. Este es elcaso concreto y particular de lasinstalaciones de cristalerías, en lasque el aire ambiente transporta polvode carbonato de sodio y en las queademás los riesgos de variacioneshigroscópicas son elevados.
El resultado final será el mismo si lasuciedad de la superficie de losaislantes se debe a salpicaduras delíquidos que contengan electrólitos.
El accidente puede pasardesapercibido y producirse en eltransporte o durante los trabajos demantenimiento de la instalación. Senotará más tarde en la explotacióncon condiciones higroscópicasexcepcionales. Es lo mismo concondensaciones sobre materialesalmacenados a la orilla del mar y malprotegidos.
La degradación progresiva delaislamiento puede igualmentedeberse a un calentamiento localaccidental, por ejemplo, por una malaconexión o por un aflojamientoprogresivo de un borne. La elevaciónde la temperatura en un puntopróximo a otro defectuoso puedeinducir a la descomposición y lacarbonización progresiva de losaislantes cercanos, lo que puede serel origen un arco de defecto,inicialmente entre fases o entre fasey masa y después degenerar en undefecto trifásico.
Las causas mecánicas
Se deben a la intervención de unelemento conductor ajeno a la propiaestructura de la instalación.
Este es el caso de intervencionesinadecuadas del personal demantenimiento: no siempre serespetan estrictamente las normasque fijan las precauciones a tomar encaso de actuaciones en partes bajotensión. Se observa, por ejemplo, quepara no perturbar el funcionamientogeneral de una instalación, unelectricista que tiene que realizar unaverificación, abre los panelesposteriores de un cuadro, y sobre eljuego de barras así accesible, se
pone a trabajar pensando que tendrásuficiente cuidado. Cuando unaherramienta se resbala y escapa delas manos, o cuando una lámpara depruebas (prohibida!) explota, seproduce una descarga general conriesgo de quemaduras graves para eloperador imprudente.
Los resultados serán los mismos siun objeto conductor «olvidado» en laparte superior del cuadro(herramienta, trozo de una barra,tuerca, arandela, cuña metálica, etc.),llega a desplazarse poco a poco porel efecto de las vibraciones y caeentre dos barras, o entre dos bornesde un cable.
Pueden incluso presentarseincidentes debidos a la presenciainsólita de un animal en el interior deun cuadro (gato, ave, rata, etc.).
Las sobretensiones
Algunas sobretensiones de valorelevado producen descargas encuadros correctamente diseñados einstalados. Sin embargo, estoscasos excepcionales se puedenproducir especialmente en BT.
En las redes de BT puedenencontrarse sobretensiones quealcanzan los 8 ó 10 kV. Provienen dela transmisión, por la capacidad delos transformadores de MT/BT, desobretensiones «normales» queaparecen en MT, por ejemplo, alcortar la corriente magnetizante de untransformador en vacío.
La instalación de limitadores desobretensiones en los bornes de BTde un transformador es el mejormedio de protegerse contra este tipode incidentes.
1 Nacimiento de un arco de defecto
Cuaderno Técnico Schneider n° 038 / p. 6
2 Comportamiento del arco de defecto
El desplazamiento de un arco dedefecto sobre el embarrado de uncuadro es bastante imprevisible. Sinembargo tenemos ciertas leyesgenerales que nos permiten explicary prever su comportamiento.
Características del arco
Es estudiando la propia naturalezadel arco como se consigue encontrarla explicación de su comportamiento:el arco eléctrico está constituido poruna columna de gas conductor(plasma) que es llevada a una altatemperatura (de 6 a 12 000 K) por losarcos producidos en los interruptoreso en los defectos.
Su forma, que puede ser cualquiera,no tiene normalmente nada que vercon la de un arco, como haríasuponer su nombre; su secciónpuede considerarse circular, enausencia de agentes externos, y es elresultado del equilibrio entre lapresión interna del gas caliente y laconstricción magnética del paso desu propia intensidad. La transmisiónde corriente queda asegurada en elarco por los electrones libres que sedesplazan en sentido inverso delsentido convencional de la corriente.Las partículas positivas ionizadas,presentes en la columna en númerocasi igual al de los electrones, noconducen más que una parte muypequeña de la corriente debido a sumasa, mucho mayor que la de loselectrones. Estas partículas positivasexisten para compensar la presenciade electrones.
El arco es pues semejante a unconductor gaseoso cuya forma seadapta instantáneamente a lasfuerzas electrodinámicas que actúansobre él; tiene una gran movilidaddebido a su masa, que es muypequeña.
La columna del arco estáforzosamente unida en sus dosextremos a conductores sólidos (olíquidos), por las llamadas «raíces»del arco. Estas zonas son las
catódicas y anódicas, de muy escasalongitud (l0-4cm), asiento de losfenómenos esenciales paramantener el proceso del arco. Estasraíces del arco son unas conexioneseléctricas, extremadamente móviles,a la superficie de los conductores, através de las que circula la corrienteproduciendo su fusión. El arco es unconductor eléctrico cuya resistenciaes elevada y muy variabledependiendo especialmente de laintensidad que lo recorre. Es máspráctico considerar «la tensión dearco» o su caída de tensión que suresistencia: la tensión de arco, cuyovalor mínimo es del orden de 15 a 30V, alcanza, para los arcos de defecto,valores que pueden estar entre los100 y 300 V.
Su expresión es Ua = ue + lE:
ue es la suma de las caídas detensión catódicas y anódicas, 20 V demedia,
n l es la longitud del arco (en cm),
n E es el gradiente de potencial de lacolumna de arco (V/cm).
Por un arco en el aire, en reposo,naturalmente enfriado, E vale de 15 a20 V/cm, pero puede alcanzar50 V/cm cuando el arco está frío.
El desplazamiento del arco
La propagación de un arco de defectosobre un juego de barras de uncuadro se realiza sobre la acción delas fuerzas electrodinámicasejercidas sobre el arco por los
conductores sobre los que sedesplaza, o por cualquier otroconductor próximo con un campoimportante.
El sentido del desplazamiento delarco es tal que el flujo abrazado porel bucle formado por el arco y susconductores de transporte debe detender hacia un máximo (figura 1).
Así por regla general, el arco sedesplaza sobre las barrasalejándose de la fuente, incluso sieste desplazamiento le obliga adescender por las barras verticales.El efecto térmico de chimenea quetiende hacer subir al arco esgeneralmente despreciable respectoa las acciones electrodinámicasproporcionales al cuadrado de laintensidad.
La fuerza electrodinámica F que actúaen un arco generado entre dosconductores paralelos es [7]:
÷ø
öçè
æ +=
a
ad2LI
10
2F 2
7 .
Bajo la acción de la fuerza F el arcoadquiere un cierta velocidad Vlimitada por la resistencia del aire Ren el que se desplaza. Estaresistencia R es de la formaR = K.V2.d, en la que K es uncoeficiente en función de lageometría del arco asimilada a uncuerpo sólido. El movimiento pasa aser muy rápido y uniforme cuandoE = R, siendo entonces la velocidaddel arco:
Fig. 1.
F R
a
d
Cuaderno Técnico Schneider n° 038 / p. 7
÷ø
öçè
æ +=
a
ad2L
dK10
2IV
7 .
Hay que remarcar que la velocidadde desplazamiento del arco esproporcional a la intensidadinstantánea que lo recorre; estavelocidad disminuye ligeramentecuando la longitud del arco aumenta,es decir, con el espaciamiento de lasbarras, así como con la tensión deservicio [4].
Verificacionesexperimentales
La medida de la velocidad dedesplazamiento de los arcos en losjuegos de barras, así como sucomportamiento ante los cambios dedirección de las barras o por losobstáculos aislantes que encuentraen su recorrido son objeto de unaserie de ensayos (figura 2).
Para recoger un gran número dedatos, además de un conjunto deregistros oscilográficos clásicos, seha necesitado un sistema de registroóptico.
En vez de utilizar una cámara de cinede gran velocidad (5 a 8 000imágenes por segundo) que sinembargo hubiera dado resultadossatisfactorios, se ha preferido unmétodo de fotografías con unacadencia elevada, atendiendo a sufacilidad de instalación y de análisisde resultados, para un númeroimportante de ensayos sucesivos.
Este método consiste en superponer,sobre un mismo cliché fotográficouna serie de imágenes tomadas conuna elevada cadencia sobre elmismo juego de barras; puesto queel arco se desplaza a gran velocidad,la posición concreta en que seencuentra se fotografía, por ejemplo,cada centésima de segundo.
Por el simple examen de lasfotografías obtenidas es fácildeterminar su velocidad media, asícomo interpretar el comportamientodel arco frente a las múltiplesconfiguraciones de los juegos debarras y de los obstáculos situadossobre su recorrido.
Son especialmente válidos losclichés de color, que nos permitenconseguir una clara diferenciaciónentre la columna de arco, las nubesionizadas y los humos que loenvuelven. Desde un punto de vistapráctico el registro fotográfico essimple: una cámara fotográficaclásica abarca el campo visual dondese desarrolla el fenómeno a analizar:el arco. Su obturador normal se abreunos instantes antes de empezar elensayo y se vuelve a cerrar un pocodespués. Durante este tiempo secoloca delante del objetivo un discoque gira a 50 rpm arrastrado por unpequeño motor síncrono. En estedisco se han practicado unasaberturas radiales. Al pasar estasventanas delante del objetivo, setoma la foto. El tiempo de exposicióndepende de su anchura.
Con discos diferentes se haconseguido tomar imágenes condiversas cadencias, comprendidasentre 50 y 300 imágenes porsegundo, lo que corresponde aexposiciones de 0,5 a 2 ms.
Velocidad dedesplazamiento
El arco se desplaza a velocidadesmuy altas, del orden de 200 a250 m/s para corrientes del orden de15 a 20 kA eficaces en un juego debarras BT, separadas, en el aire, 300mm.
Se habla de velocidad media encorriente alterna. En efecto, la inerciadel arco es menor cuando lavelocidad instantánea se anula en elinstante que la intensidad pasa porcero (donde se apagainstantáneamente), creciendodespués de nuevo para alcanzar unmáximo que corresponde al valor depico de la onda senoidal de laintensidad de corriente.
Este fenómeno se ha puesto enevidencia con fotografías tomadas agran cadencia (200 a 300 imágenespor segundo) en el curso de unensayo en corriente alternamonofásica.
Desperfectos propios delarco
Si el arco de defecto se propagalibremente sobre barras sindiscontinuidades ni cambios bruscosde plano y sin encontrar obstáculosmetálicos o aislantes, su paso noprovoca prácticamente ningúndeterioro. Las raíces del arco sedesplazan en saltos sucesivosdejando trazas insignificantes, sólopequeñas manchas circulares dealgunos mm de diámetro.
Por el contrario, si el arco es frenadoo parado en su camino, aunque sólosea durante algunas centésimas desegundo, provoca entonces seriosestragos: fusión de metal,combustión de aislantes.
Obstáculos en el recorridodel arco
Sin embargo, el comportamiento delarco frente las discontinuidades delas barras sobre las que se propagao ante los obstáculos que encuentraes relativamente aleatorio.
Así, un cambio brusco de direcciónde un juego de barras rectilíneopuede hacer o que el arco semantenga en el ángulo vivo formadopor las barras o que siga la nuevadirección que se encuentra a supaso.
Para parar la propagación del arco, elproceso aparentemente másapropiado es el de hacer pasar lasbarras a través de una pantallaaislante. Ésta sólo cumplirácorrectamente su función siconstituye una verdadera pantallamoldeada alrededor de las barrasconductoras. Una holgura del ordende un milímetro entre la pantallaaislante y el metal de las barras essuficiente para que el gas ionizadoconsiga provocar el recebado al otrolado de la pantalla.
Cuaderno Técnico Schneider n° 038 / p. 8
Fig. 2: Oscilograma y fotografía correspondiente a un ensayo de propogación de arco sobre un circuito de 14.000A ef, 300V.
longitud de juego de barras: 6 m
cadencia de las fotos: 10 ms
tiempo de exposición: 1 ms
I = 14 000 Aef (circuito)
U = 380 Vef
Cuaderno Técnico Schneider n° 038 / p. 9
Los diversos efectos delarco
El efecto térmico: constituye la másimportante manifestación del arcoeléctrico:
La energía calorífica EA = Ua. Icc.t esproporcional:
n a la tensión de arco Ua, del ordende un centenar o más de voltios,
n a la intensidad de defecto eficaz,Icc, generalmente de varias decenasde millares de amperios en BT,menos en MT,
n a la duración del defecto t, quedepende del tiempo de intervenciónde los relés de protección y delinterruptor automático asociado.
El calor liberado funde el metal,carboniza los aislantes, calienta elaire próximo y aumenta bruscamentela presión si el entorno es reducido.
Se suele subestimar, a menudo, elenorme calor liberado por los arcosde defecto. Por ejemplo: unacorriente de defecto de 10 000 Adurante 1/10 s es suficiente parafundir la mitad de un cable de150 mm2.
El efecto de presión: resulta delcalentamiento muy rápido de unvolumen de aire reducido; es lo quehace comparar, por lo que se hapodido comprobar, un cortocircuito auna explosión. Si a los cuadros no seles ponen pantallas o puertas queresistan estas presiones internas, seagravan de los daños causados a lasinstalaciones.
El cebado de un arco se acompañasiempre de un ruido impresionante,efecto sonoro que es consecuenciade la variación brusca de la presión.En corriente alterna, este ruido serácomo un trueno.
El efecto luminoso de un arco esmuy conocido, además de su intensobrillo; se produce en parte por lasradiaciones ultravioleta, capaces dedañar la vista de una personapróxima, pero sobre todo por laionización del entorno.
El efecto de ionización puedeprovocar reencendidos entre partescon tensión que, con una atmósferanormal, se considera que tienen unaseparación de aislamiento adecuada.Estos reencendidos tienen comoconsecuencia la formación de arcossecundarios, independientes del arcoinicial y que se propagan sobre otroselementos. Esto explica la apariciónde los cebados múltiples que seaprecian en el cuadro después delfogonazo y que hacen que sea muydifícil el buscar el origen exacto deldefecto.
Cuaderno Técnico Schneider n° 038 / p. 10
3 Reducir la posibilidad de aparición de un arco
La disposición de los elementosdebe de poder hacer frente a losriesgos correspondientes, que sonmuy naturales:
n los riesgos 1:
Se deben al conjunto de lainstalación: calidad de los aislantes,distancias mínimas de aislamiento,apriete adecuado de las conexiones,rigidez de las barras entre lossoportes, dimensionado de lasbarras para soportar eventualessobreintensidades (calentamientos,resonancia), accesibilidad deanimales a las partes con tensión.
n los riesgos 2:
Se deben a accidentes más o menosprevisibles: entrada intempestiva deagua o de vapor de agua en uncuadro, choque de vehículos o cargasdebidos a falsas maniobras,vibraciones excesivas producidas porla proximidad de ciertas máquinas.
n los riesgos 3:
Se deben a la intervención depersonas.
Los riesgos 1 pueden eliminarse conuna construcción esmerada y conuna verificación exhaustiva al acabarel montaje en el taller del montador,
previo a la conexión en el lugar deutilización. Hay que destacar aquí laimportancia que tiene el diseño delmaterial en si mismo; losconocimientos técnicos y laexperiencia del personal de laingeniería del estudio del quedepende directamente la seguridadde la explotación de lasinstalaciones.
Los riesgos 2, si bien no puedeneliminarse totalmente, siempre sepueden minimizar escogiendo concuidado los lugares de implantaciónde las diferentes partes de lainstalación.
Hay que considerar especialmente elcaso particular de los cuadrosinstalados en los navíos: se hapodido constatar la producción dearcos de defecto debidos a la entradadel agua de mar por lasconducciones de ventilación odebidos a condensacionesabundantes resultantes de fugasimportantes de vapor.
Estos accidentes pueden evitarse conun estudio previo completo de estosriesgos externos y de los mediosapropiados para eliminarlos [6].
Los riesgos 3 están directamenterelacionados con la actuación y elrespeto a las normas de explotación yde intervención del personal. Debe degarantizarse la competencia delpersonal autorizado para intervenir:de la seriedad que este personaltenga en su trabajo dependedirectamente la seguridad delconjunto de la instalación o de unaindustria y hasta su propia seguridad.
Siempre es posible diseñar y realizarlos cuadros, donde los juegos debarras y sus derivaciones estén alamparo de toda intervención torpe delpersonal.
Un primer método consiste en situartodas las barras bajo tensión dentrode jaulas metálicas, permitiendo asíal personal poder trabajar conseguridad sobre los circuitospróximos de control.
El método más seguro, pero tambiénel más costoso (muy practicado enUSA), consiste en cubrircompletamente todas las barras,conexiones y piezas de conexión conbarniz clase F y encintar, después delmontaje, todas las demás piezas contensión.
Cuaderno Técnico Schneider n° 038 / p. 11
4 Limitación de las consecuencias de un arco
A pesar de todas las disposicionestomadas, todavía puede presentarseun arco de defecto, aunque sea muypoco probable; se trata entonces dereducir los estragos que puedaocasionar, a fin de poder restablecermuy rápidamente y con el menorgasto la distribución de la energía.
Se pueden tomar diferentesmedidas, sea mejorando los detallesconstructivos del cuadro, sea en eldiseño del esquema o de lasprotecciones adoptadas.
Reducir la intensidad dedefecto
Los efectos térmicos sonproporcionales a la intensidad decortocircuito, Icc, que normalmentepodrán reducirse mucho en BTutilizando interruptores automáticoslimitadores [9], [10].
Es pues recomendable utilizar estosinterruptores automáticos en lasentradas a los cuadros, cuando suscaracterísticas (calibre, selectividadparcial) son compatibles con lainstalación.
Pero en las redes de BT, donde laelevada potencia la suministrannormalmente varios transformadoreso generadores en paralelo, el valorde la corriente de cortocircuito sobreel juego de barras puede llegar osobrepasar los 100 kA eficaces. De loque se deduce un riesgo dedestrucción muy importante, en casode defecto en los cuadros.
Este riesgo se reduce sensiblementeal adoptar esquemas de distribuciónsemejantes a los de las redes deabordo de los navíos, donde sealcanza un alto grado de seguridad.
Los generadores se reparten sobredos «semi-juegos» de barras,conectadas permanentemente, segúnlas necesidades de explotaciónmediante un interruptor automático deacoplamiento (figura 3).
Este aparato de un calibre elevado,de 3 a 6 kA normalmente, debe deser muy limitador, lo que llevanecesariamente a un principio dediseño muy diferente del de loslimitadores clásicos. En efecto, elpoder de limitación de los limitadoresclásicos disminuye a medida que el
Fig. 4: Interruptor automático limitador ultra-rápido DURT 6.000 instalado en el barcoporta-containers FORT DESAIX.
Fig. 3.
calibre aumenta; aunque en realidadno hay aparatos de este tipo de uncalibre superior a 2 000 A.
Merlin Gerin ha desarrollado pararesolver este problema un interruptorautomático limitador ultra-rápidoDURT cuyo tiempo de apertura esinferior a 1 ms (figura 4). La corriente
G1 G2 G3 G4
interruptorautomáticolimitador de
acoplamiento
SALIDAS
ENTRADAS
Cuaderno Técnico Schneider n° 038 / p. 12
de cortocircuito sobre el juego debarras se encuentra reducido a lamitad de su valor contando que todaslas fuentes trabajan en paralelo. Portanto, se reduce el riesgo en caso deun accidente grave en el cuadro.
Por otra parte, esta disminuciónimportante de la corriente decortocircuito reduce en la mismaproporción el poder de corte de todoslos interruptores automáticos aguasabajo; el ahorro así conseguido conestos aparatos compensa el costeadicional de un interruptor automáticolimitador de acoplamiento.
Reducción del tiempo dedefecto
Los efectos térmicos son tambiénproporcionales a la duración de t, quese querrá reducir provocando laeliminación, lo más rápidamenteposible, del defecto. Pero losaparatos encargados de esta misión,son los interruptores automáticos dela fuente, que los imperativos deselectividad obligan a menudo atemporizar. Hará falta siempre por lomenos tener cuidado en ajustar sutemporización al menor valor posible,sin eliminar en estos tiempos losmárgenes de seguridad aparente, loque sería lamentable en caso decortocircuito en las barras. Se hademostrado que un defecto de20 000 A, relativamente pequeño enBT, se propaga a 300 m/s, casi a lavelocidad del sonido; por tanto, elarco tiene tiempo de recorrer 45 mdurante los 150 milisegundos detemporización.
Para solucionar esta situación,Merlin Gerin ha desarrollado unnuevo sistema la selectividad lógicaque permite mantener unaselectividad absoluta sin tener queincrementar la temporización de losinterruptores automáticos, a medidaque se instalan aguas arriba,principio que utiliza la selectividadcronométrica.
Pantallas consumibles ytrampas para arcos
Es posible diseñar una disposiciónde un juego de barras tal quedespués de un cierto recorrido del
arco, éste quede bloqueado en unextremo sin poder seguirpropagándose: se coloca ante el arcouna pantalla «fungible» cuyo espesordependerá de la energía queprobablemente tendrá que absorber.
Esta pantalla puede ser o metálica,con lo que el arco se consumiráfundiéndola, o de un aislante mineral,suficientemente resistente al calor.Un aislante orgánico podría provocar,al quemarse, gases tóxicos. Sepueden poner así sobre las barraspiezas de forma apropiada cuyamisión es derivar el arco en unadirección donde sus consecuenciasprovoquen menos estragos y estandotodas más o menos controladas poruna pantalla consumible. Estosdispositivos se denominan «trampaspara arco».
Pantallas, pasamuros
El fraccionamiento de un juego debarras en varios trozos como seacaba de decir ventajoso añadiendoun aislante físico eficaz entre lasdiferentes secciones. Lospasamuros constituyen pantallassobre las que el arco se parará, perosu construcción debe de ser tal quesean resistentes al calor del arcodurante el tiempo necesario.
Ventajas de las cajasindependientes cerradas
Se produce un cortocircuito en unaparato por haberse olvidado sobreél una herramienta o una piezametálica. Generalmente el arco quese crea encuentra buenascondiciones locales para permanecer«cogido» sobre el aparatoincriminado, ionizando fuertementelas zonas próximas. Resulta que, siel interruptor está situado en unarmazón, la ionización puedeprovocar descargas sobre losinterruptores automáticos y juegos debarras vecinos y éstos la descargageneral en toda la instalación.
En cambio, si cada aparato estáseparado del resto de la instalaciónpor paredes metálicas, el riesgo dela generalización del defectodesaparece.
Cada aparato de maniobra se instalaen el interior de un compartimentoexclusivo cerrado donde sinembargo hay una zona neutrareservada para que la expansión delgas evite las sobrepresiones.
El acceso a los bornes de entrada yde salida se realiza por medio depasamuros aislantes, limitando alinterior del compartimento lasconsecuencias de cualquier arco quese produzca en su interior yprotegiendo al aparato de un arco deorigen externo.
Las maniobras de explotación delaparato (apertura y cierre) así comosu puesta fuera de servicio por suentrada o por su salida(desenchufado) se realizan a puertacerrada.
La retirada se ha de hacer abriendoantes completamente la caja delaparato; por tanto, el personal que hade trabajar directamente ahí (paramantenimiento, control o sustitución)se encuentra entonces fuera delalcance del juego de barras y alamparo de cualquier «fogonazo»proveniente de otro aparato deruptura situado en un compartimientovecino.
Resistencia a los arcosinternos en los cuadros AT
En las instalaciones de altaseguridad, ha surgido la necesidadde diseñar cuadros prefabricados ATcapaces de soportar un arco interno,de tal manera que la seguridad delpersonal presente en lasproximidades del cuadro no sufraningún peligro por las chispas o lasproyecciones de elementos delcuadro.
El diseño de estos cuadrosespeciales se realiza con ensayosreales en potencia, seguidos desimulaciones con programas decálculo.
El proceso de evolución de un arconaciente en un espacio cerradoequipado con los captadoresindispensables de sobrepresión,produce un conjunto de fenómenoscomplejos a lo largo de lassiguientes fases de análisis:
Cuaderno Técnico Schneider n° 038 / p. 13
n fase de compresión (de 5 a 15ms) en la que la presión se elevaentre 1,2 y 1,8 bares,
n fase de expansión (una decena dems) seguida de la apertura de lasválvulas de sobrepresión y quecoincide con una caída de presión,
n fase de emisión (200 a 300 ms)durante la que los gases calientes seevacúan con un régimen casiconstante,
n la fase térmica (desde 200 mshasta varios segundos) en la que elarco quema las planchas o losaislantes hasta la perforación. Asíuna plancha de 4 mm la perfora unarco de 35 kA en 300 ms.
La verificación de la resistencia alarco interno tuvo, ante todo, que estarcodificada por una directiva de PEHLA(organismo de ensayo alemán) yposteriormente 1 978 por lamodificación nº 2 de la CEI 298,debida a los trabajos del subcomité17 C.
[1] A. Hochrainer. Déplacement desarcs de court-circuit dans lesinstallations á haute tension. ETZ ABd 7711/5/56.
[2] E. Eidinger et W. Rieder. Lecomportement des arcs duns unchamp magnétique transversal.Archiv. E élect. Bd 43, 1 957.
[3] L. Muller. Propagadation d'arcscourts de forte intensité. Electrizitätsw.H8 4/58.
[4] L. Fechant. Vitesses dedéplacement d'arcs dans l'air. RGE 9-59.
[5] L. Chaineaux el C. Gagniéres.Percement des coffrets par des arcs.Revue industr. minérale 5/62.
Detección optoelectrónica
Puede conseguirse una notablereducción de los efectos destructoresdel arco reduciendo su duración pordebajo de su límite convencional deun segundo; este límite correspondeal tiempo de intervención de laprotección, a menudo más elevada,debido a los imperativos deselectividad. Se consigue estareducción de la duración del arcoinstalando detectoresoptoelectrónicos que producentambién la apertura del interruptorautomático principal (de entrada o deacoplamiento) en menos de 100 ms.
La fase térmica es prácticamenteinexistente, consiguiéndose unareducción notable de losdesperfectos y la posibilidad de unareposición rápida del servicio.
Bibliografía
[6] G. Bouvier. Incidents sur lesinstallations électriques de bord. AlMA1 971.
[7] A. Ducluzaux. Los esfuerzoselectrodinámicos. Cuaderno Técnico7. 2-76.
[8] R. Calvas y F. Sautriau. Protecciónde redes mediante el sistema de laselectividad lógica. CuadernoTécnico nº 2; 1/78.
[9] P. Schuelier. Corte en BT porlimitación de corriente. CuadernoTécnico nº 103; 6/80.
[10] C. Albertin. Los interruptoresautomáticos Compact hacia un poderde corte ilimitado. Cuaderno Técniconº 116; 6-81.