INTERRUPTORES DE POTENCIA

El concepto de interruptor se utiliza para hacer alusión a aquellos dispositivos eléctricos que actúan como barrera para desviar un flujo de energía. Los interruptores tienen ciertos componentes básicos para que puedan funcionar correctamente. Entre ellos se encuentra vías, que se colocan en distintas direcciones para cumplir una función determinada; polos, que son los circuitos individuales; pulsadores, para que los contactos permanezcan unidos; y los actuantes, que son los que cierran o abren el circuito. CERRADO, DEBE SER UN CONDUCTOR IDEAL. ABIERTO, DEBE SER UN AISLADOR IDEAL.

Las características nominales más importantes de un interruptor son las siguientes:a) Tensión nominal y tensión máxima de diseño.b) Corriente nominal.c) Frecuencia nominal.d) Presión nominal de operación del gas para maniobra e interrupción.e) Capacidad interruptora nominal.f) Capacidad de cierre o de conexión nominal.g) Corriente nominal de tiempo corto.h) Secuencia de operación nominal.Asimismo, existen otros parámetros de importancia que pueden ser tomados nominales paracada equipo. Entre estos parámetros se tienen:a) Tensión transitoria de restablecimiento (TTR) nominal por falla en terminales.b) Corriente capacitiva nominal de interrupción.c) Nivel básico se aislamiento al impulso (NBAI).d) Niveles de contaminación.

Ejemplos de interruptoresEn el mercado se pueden encontrar diferentes tipos de interruptores, los cuales dependen de sus cualidades y funciones. Algunos de los más comunes son los siguientes:

De cruce: este modelo de interruptores es el que permite que desde tres puntos diferentes se pueda encender el mismo artefacto que se encuentre conectado al mismo. Se trata de una opción muy útil en espacios muy grandes ya que, por ejemplo, permiten que una persona encienda una lámpara desde tres puntos diferentes, evitando así que deba trasladarse por todo el lugar para hacerlo, ya que ofrece puntos más cercanos. Esto es posible gracias a que estos conmutadores se utilizan junto con otros dos, siempre que posean dos direcciones. Debido a sus características, estos interruptores también son conocidos bajo el nombre “de cuatro direcciones”.

Inferior de parada: se trata de aquellos modelos de interruptores que trabajan en forma automática, es decir, que no precisan de la intervención de una persona para que funcionen. Para ello, están diseñados de forma tal que puedan identificar que la corriente que debe alimentar a un determinado artefacto haya superado un cierto límite que se fija previamente y a partir del cual se toma la decisión de que deba apagarse. Cuando esto ocurre, el mismo se apaga automáticamente.

De transferencia: este modelo de interruptores se caracteriza por ofrecer una ventaja en materia de seguridad. Esto se debe a que cuentan con la capacidad de poder desviar la carga a otro circuito cuando se detecte algún error eléctrico. También son muy prácticos ya que ayudan a evitar que se corte el funcionamiento del artefacto en cuestión.

De palanca: interruptores como este, a los que también se los conoce como “de cuchilla”, se encuentran prohibidos para la venta actualmente, aunque hasta hace poco eran muy usados. Se caracterizan por contar con un par de cuchillas fabricadas a base de cobre que entran en contacto con presillas.

De mercurio: como su nombre permite deducir, se trata de aquellos interruptores que tienen entre sus componentes una pequeña dosis de mercurio. Esto ayuda a que se encuentre la inclinación.

Centrífugo: estos interruptores son los que comienzan o dejan de trabajar cuando reciben alguna señal de carácter centrífuga, de allí su nombre.

Disyuntor: esta variedad de interruptor, a la que también se la conoce como “diferencial”, garantiza la seguridad de aquellos individuos que no se encuentren en contacto con algún aislamiento. Para ello, el disyuntor lo que hace es interrumpir el paso de la corriente eléctrica cuando surja alguna situación que sea detectada como peligrosa.

Momentáneos: estos interruptores, a los que también se los suele conocer bajo el nombre de “pulsadores”, son los que para funcionar precisan que el actuante se encuentre presionado para que de esta manera los contactos puedan mantenerse unidos.

Rotativo: interruptores como este son los que tienen entre sus componentes a un eje. Si este se gira en una dirección, el interruptor cumplirá con una función diferente a la de si se lo gira en otra dirección.

Automáticos en cajas aisladas: se trata de un modelo de interruptores que al detectar algún flujo de corriente eléctrica que sea excesivo, cortan de manera automática el circuito. Por lo general, son los interruptores que se utilizan para el funcionamiento de motores o de artefactos de iluminación.

Protector: estos dispositivos son los que al identificar una sobrecarga de en la tensión de corriente impiden que esta pueda continuar de manera automática

De fuga a tierra: se conoce bajo este nombre a aquellos interruptores que al detectar intensidades que se originen por fugas de tierra automáticamente impiden el paso de corriente eléctrica.

Directivos de alta velocidad: estos son los dispositivos que suelen utilizarse en ámbitos específicos como puede ser la minería o la industria petrolera ya que cuentan con la capacidad de poder trabajar con corrientes de hasta 8 mil amperios y de 3.500 voltios.

DIP: los interruptores que se conocen bajo este nombre son los que conforman una línea de contactos que sea doble. Para ello cuentan con una serie de interruptores de pequeño tamaño que permanecen conectados entre sí.

Basculante: estos dispositivos son los que permiten identificar visualmente si un artefacto se encuentra encendido o apagado. Esto se debe a que cuentan con una palanca que es la que cumple con la función de actuante. Cuando esta palanca se mueve en una dirección, cumple con una función, si se la mueve en otra dirección, su función es diferente.

De circuito aislado: se trata de un modelo destinado a los circuitos de grandes amperajes. Entre otras cosas, ofrecen la posibilidad de mostrar y medir el flujo de la corriente, además de detectar si hay distorsiones en las mismas.

Termomagnético: los interruptores como estos se caracterizan por interrumpir automáticamente el paso de energía cuando se dan dos clases de situaciones. Una de ellas es cuando detectan que se está dando una sobrecarga de corriente eléctrica. La otra, en cambio, es cuando se origina algún cortocircuito. Gracias a ellos se trata de un modelo muy seguro para las personas que se encuentren cercanas al artefacto eléctrico.

Reed Switch: los interruptores como este son los que se encienden en el momento que se identifica un campo magnético. Por la función que cumplen estos dispositivos siempre se encuentran ubicados dentro de una cápsula que debe estar hecha con vidrio.

De tensión media: se trata de aquellos dispositivos que se usan con energía que se encuentre al aire libre. Para ello, deben ser interruptores de vacío que blindado.

METODOS DE EXTINCION DEL ARCO

En términos generales, se conocen tres métodos de extinción del arco eléctrico en los interruptores: Interrupción por alta resistencia. Interrupción por baja resistencia. Interrupción en vacío.

METODOS DE INTERRUPCIÓN POR ALTA RESISTENCIA.En este caso, el objetivo es incrementar la resistencia del arco en función del tiempo y reducir la corriente hasta lograr la extinción. La desventaja principal de este método de interrupción es la gran cantidad de energía disipada, por lo tanto, sólo se usa en interruptores de baja y mediana tensión, así como en interruptores de corriente directa. Para incrementar la resistencia del arco se emplean las técnicas siguientes:Elongación del arco. Como la resistencia del arco es aproximadamente proporcional a su longitud, alargando el arco su resistencia aumenta

Enfriamiento del arco. La tensión requerida para mantener la ionización aumenta cuando la temperatura disminuye, por lo que enfriándolo su resistencia aumenta,

División del arco. Cuando se establece un arco, existe una tensión apreciable entre las superficies de los contactos. Si el arco se divide en arcos pequeños, en serie, se reduce la tensión de la columna

Estas técnicas son las más empleadas para aumentar la resistencia del arco de corriente directa y también se aplican en la interrupción de corrientes alternas, de hasta 660 V. Para niveles de tensiones mayores es necesario recurrir a nuevas y diferentes tecnologías.

Representación esquemática de una cámara de arqueo del arco

INTERRUPCIÓN POR BAJA RESISTENCIA O DE CORRIENTE CEROEste método se emplea para la interrupción de arcos de corriente alterna aprovechando que el arco se extingue por sí solo, 120 veces por segundo en un sistema de 60 Hz, cada vez que la corriente cruza por cero. Este fenómeno se representa en la Figura y es más conocido como HISTÉRESIS DEL ARCO.

EXTINCIÓN EN CORRIENTE ALTERNA.La extinción del arco eléctrico en corriente alterna está relacionada con el cruce por cero de la corriente. La de-ionización o recuperación de la rigidez dieléctrica del entrehierro, inicia en el momento en que el arco se extingue (cuando la corriente cruza por cero). La rigidez crece linealmente en función del tiempo, hasta alcanzar su estabilización. Si la tensión en el interruptor (Usenωt) en algún instante excede a la tensión de recuperación Ur, ocurre un reencendido. En caso contrario, si la tensión de recuperación Ur se incrementa más rápidamente que la tensión en el interruptor, no se produce el reencendido.

El comportamiento anterior varía si se considera un circuito inductivo o capacitivo. Estos circuitos son muy importantes, porque los sistemas de transmisión de energía suelen tener reactores en derivación o bancos de capacitores en serie. Además, la desconexión de un transformador operando en vacío representa una inductancia. En los circuitos inductivos o capacitivos, el cruce por cero de la corriente coincide, según el caso, con el valor máximo de la tensión. En este tipo de circuitos es común que se presenten reencendidos. Esto se debe al extinguirse el arco al cruzar la corriente por cero, la tensión del circuito excede a la tensión de recuperación.

TIPOS DE MECANISMO PARA CIERRE / APERTURA

La interrupción de los circuitos eléctricos de potencia siempre ha sido una función esencial, especialmente en el caso de sobrecargas o de cortocircuitos cuando se hace necesaria la interrupción inmediata del flujo de la corriente como una medida de protección.En un principio, los circuitos se podían romper con sólo separar los contactos en el aire además de extraer el arco eléctrico resultante a tal longitud que no pueda ser mantenida.Este medio de interrupción pronto se volvió inadecuado y se tuvieron que desarrollar dispositivos especiales llamados interruptores automáticos

El problema básico ha sido de controlar y apagar o extinguir el arco de alta potencia, el cual ocurre necesariamente al separar los contactos de un interruptor automático cuando se abren circuitos de elevada corriente.Dado que los arcos generan una gran cantidad de energía calórica, a menudo destructiva para los contactos del interruptor, la tecnología tenía que hallar maneras de limitar la duración del arco y desarrollar contactos que puedan soportar el efecto del arco una y otra vez.

Los contactos de apertura/cierre requieren ser probados periódicamente para evaluar su condición.Estos contactos deben mantener sus buenas propiedades conductivas cuando los contactos están completamente cerrados. Las propiedades conductivas pueden ser afectados por el desgaste mecánico debido a la fricción en la operación o al desgaste eléctrico ocasionado por el arco eléctrico.

MEDICIÓN DE LA RESISTENCIA DEL CONTACTO:El mejor método para probar la resistencia de contacto es aplicar la ley de Ohm. Consiste en aplicar una corriente, usualmente de 100 amperios, y medir la caída de tensión en voltios a través de los contactos cerrados. Luego se calcula la resistencia dividiendo la tensión entre la corriente. El valor resultante se lee en micro ohmios, donde 1 micro ohmio es igual a 10-

6ohmios.

RESISTENCIA DINÁMICA DEL CONTACTO:Para algunos interruptores automáticos, especialmente aquellos que usan una boquilla de arco para dirigir el flujo del medio de apagado (por ejemplo en los interruptores automáticos de SF6 tipo puffer, ver la Figura 10b), el desgaste de los contactos de arco, si es excesivo, puede afectar la capacidad de apagado de arco del interruptor, teniendo como consecuencia su destrucción.

De modo que la evaluación del contacto de arco no se puede realizar con solamente medir la resistencia de contacto de la forma clásica descrita previamente. Se desarrolló un nuevo método llamado resistencia dinámica de contacto.

Consiste en medir la resistencia de contacto como se describió antes pero de forma continua a medida que el contacto se mueve desde el primer contacto hasta su posición completamente cerrada. Este método permite medir la longitud del contacto de arco y compararlo a un valor medido cuando estaba nuevo, lo cual ayuda a determinar su estado de erosión.

El arco eléctrico juega un rol importante en la elección del material y la forma de los contactos de interrupción y de establecimiento.En los arcos de alta presión, se genera un intenso calor, los cuales tienen que resistir los contactos y mantener sus propiedades conductivas. Esto se logra usando aleaciones de tungsteno y cobre o cobre revestido de plata y con la forma de tulipán para los contactos.

En los arcos en vacío, la elección del material es crucial para limitar las emisiones de vapores y favorecen su condensación dentro de microsegundos, de otro lado se destruyen los contactos. La aleación de cobre cromado libre de oxígeno es el mejor material para los interruptores automáticos de alta tensión y se usa comúnmente la forma de tope (butt) para los contactos

MANTENIMIENTO DE INTERRUPTORES DE POTENCIA

Un interruptor de potencia es un equipo cuya función es la de encender y apagar las corrientes eléctricas en las redes de distribución y de transmisión de potencia para las operaciones de rutina y la protección de otros equipos.

Pueden ocurrir rupturas en el sistema de transmisión eléctrica y la destrucción del equipo si un interruptor no llega a operar debido a la falta de un mantenimiento preventivo.

El nombre del interruptor indica claramente su rol. Interrumpe los circuitos eléctricos. Para lograr su propósito, separa mecánicamente dos puntos en el circuito a una distancia bastante larga para interrumpir el flujo de las corrientes eléctricas

Los interruptores vienen en una gran variedad y usan diferentes tecnologías:

A pesar de su gran diferencia, todos los tipos comparten los mismos principios, todos ellos deben suministrar dos funcionalidades principales, las cuales están muy relacionadas:

- Funcionalidad eléctrica (Interruptor). - Funcionalidad mecánica (Mecanismo).

Funcionalidad EléctricaLos interruptores están diseñados para satisfacer las condiciones predeterminadas de ruptura y tienen propiedades eléctricas que se pueden resumir en lo siguiente:

- Propiedad de transportar la corriente;- Propiedad de aislamiento;- Propiedad de ruptura de la corriente.

Funcionalidad MecánicaLas propiedades eléctricas solicitadas imponen propiedades mecánicas que pueden ser más o menos demandantes dependiendo de la tecnología usada:

La propiedad de transportar la corriente impone:

El material de contacto es muy conductivo;Una alta calidad del contacto de apertura;Una baja reacción del contacto a la atmósfera y a la temperatura ambiente.

La propiedad de aislamiento, dependiendo del nivel de voltaje, impone:

La distancia de separación de los contactos en la posición de apertura;La distancia de la línea a tierra;Las características del medio de aislamiento y la reacción sobre el tiempo.

Las propiedades de apertura y de cierre de la corriente, imponen:La velocidad de los contactos de cierre y de apertura;Técnicas de soplado de arco;Resistencia al material del arco;La energía requerida para continuar con la apertura o el cierre de grandes corrientes de cortocircuitos;Las características del medio de aislamiento y la reacción sobre el tiempo y la frecuencia de la interrupción de la corriente

MANTENIMIENTO PREVENTIVO

A menudo la necesidad del mantenimiento de los interruptores no es obvia, dado que no se utilizan continuamente, estén abiertos o cerrados, por largos períodos de tiempo. La necesidad de predecir la adecuada función de los interruptores aumenta con los años a medida que los sistemas de transmisión se expanden y transportan mayor energía a mayores distancias.

Con el avance de la tecnología con los años aparecieron los interruptores de bajo mantenimiento pero esto no brindó mayor confianza en la administración del sistema en cuanto a la confiabilidad de la operación.

El interruptor es de hecho, una caja negra. La única manera de estar seguro de su condición es abrirlo para realizar una inspección física. Desafortunadamente, este método es muy costos y debe reducirse a un mínimo para prevenir un mantenimiento innecesario.

MANTENIMIENTO PREDICTIVO

Los especialistas en el mantenimiento crearon lo que se conoce ahora como el mantenimiento predictivo. Su propósito es de predecir con precisión la condición del interruptor, sin tener que abrirlo para su inspección.

Por ello la inspección requerida se limitará a la intervención correctiva o preventiva, reduciendo dramáticamente de esta manera el costo del mantenimiento y aumentando al mismo nivel su eficiencia.

La predicción puede tomar tres maneras de complementarse entre ellos:

PRUEBA: se han inventado un amplio rango de pruebas para verificar la conformidad de cada una de las propiedades eléctricas y mecánicas para cumplir los criterios de diseño. Algunas de estas pruebas han sido reconocidas y documentadas por las normas internacionales (IEC, ASTM, etc.). Algunas están aún en desarrollo y producen grandes expectativas. 

MONITOREO: la vigilancia continua del interruptor por medio de múltiples transductores controlados por una computadora. Las alarmas o las acciones se activan cuando se llegue a los niveles configurados permitiendo de esta manera una intervención a tiempo. Este método aún está bajo desarrollo y es muy prometedor.

ESTUDIO ESTADÍSTICO: las mediciones continuas, los muestreos y las intervenciones por mantenimiento, se anotan cada vez para cada interruptor. Con esta información se arman bases de datos, lo cual ayuda a realizar estudios estadísticos dirigidos a descubrir los componentes con falla o ayudan a crear un modelo probabilístico del envejecimiento en los interruptores para su mantenimiento.

Una práctica muy difundida por los administradores de las redes, es la de requerir para cada tipo nuevo de interruptor, un estudio estadístico suministrado por el proveedor de la confiabilidad de los componentes del nuevo equipo, basado en su propia experiencia. Esto ayudaría a enfocar las acciones de mantenimiento a las partes más vulnerables.

PRÁCTICAS DE SEGURIDAD

Los procedimientos de mantenimiento tienen que respetar las prácticas de seguridad y los puntos siguientes requieren una atención especial:

a) Asegurarse que el interruptor y su mecanismo estén desconectados de cualquier energía eléctrica, tanto de alta tensión como de la tensión de control antes de ser inspeccionado o reparado.

b) Expulsar la presión desde el receptor de aire o cualquier interruptor de aire comprimido antes que sea inspeccionado o reparado.

c) Luego de que el interruptor haya sido desconectado de la energía eléctrica, sujetar apropiadamente los terminales de tierra antes de tocar cualquiera de las partes del interruptor.

d) No dejar las herramientas sobre el equipo mientras se trabaja dado que pueden ser olvidadas cuando el equipo se coloque de nuevo en servicio.

PRUEBAS DE INTERRUPTORES

Las pruebas de mantenimiento permiten al personal determinar si los interruptores son capaces de realizar sus funciones básicas de protección de circuitos.

Las pruebas mencionadas en la siguiente tabla de pruebas pueden ser realizadas durante el mantenimiento de rutina y están dirigidos a asegurarse que los interruptores estén operativos funcionalmente. Estas pruebas deben realizarse a interruptores y en equipos que estén desenergizados.

La Tabla de Pruebas lista las pruebas y sus propósitos, reagrupados por las categorías de su propósito (Mecánico, Eléctrico o Químico).

En general, para llevar a cabo una prueba exitosa, se deben observar las siguientes condiciones:Procedimiento de la aplicación (suministrado por el proveedor del equipo de pruebas);Especificaciones de diseño con las tolerancias definidas (suministrados por el diseñador del interruptor);El manual de instrucciones del interruptor y los diagramas básicos, de contorno y elementales (suministrados por el diseñador del interruptor);

Definiciones de las normas internacionales y las especificaciones, si son requeridas para la prueba.Un buen sentido de análisis del Programa de Mantenimiento

La misma necesidad para predecir la adecuada función de los interruptores creó el mantenimiento predictivo, y dado que no es factible probar de forma indefinida los interruptores, es obvio que se necesita estructurar los actos en un programa de mantenimiento que defina las acciones y la frecuencia del mantenimiento.

La mayoría de los fabricantes de interruptores recomiendan programas de mantenimiento que se adecuan mejor a su equipo. Ellos lo definen generalmente en tres niveles:

1 - Inspección de rutina: incluye:

.Inspección visual de la forma externa del equipo.

.Revisión de los contadores de la operación.

.Revisión de los indicadores de presión.

.Detección visual o audible de las fugas

.Medición de la temperatura.Etc.

Esto se realiza con el interruptor en servicio.

Frecuencia: generalmente 6 meses a 1 año 

2 - Mantenimiento menor: Incluye además de la inspección de rutina:

.Inspección rigurosa del estado y de la función de los subconjuntos,.Prueba del interruptor.Intervenciones menores para reemplazar el fácil acceso a partes gastadas,.Cambio de filtros, del aceite o del gas, etc.Esto requiere aislar al interruptor de la red. Frecuencia: generalmente de 6 á 8 años

3 - Mantenimiento mayor: Incluye además del mantenimiento menor, la apertura de los ensamblajes principales para acceder las partes internas:

Interruptor;Mecanismo;Receptor del tanque.Esto requiere aislar al interruptor de la red.

Frecuencia: depende de la tecnología de los interruptores (12 años para el soplado de aire, 20 años para el SF6, etc.)