j. hennebert d. gibbs - ingeniería de sistemas y...

Cuaderno Técnico nº 143

Interruptor automático Fluarc SF6

y protección de motores MT

J. HennebertD. Gibbs

Cuaderno Técnico Schneider n° 143 / 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.

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cuadernotécnico

n° 143Interruptorautomático FluarcSF6 y protección demotores MT

Por: J. Hennebert, D. Gibbs

Trad.: Dr. M. Cortes

Edición francesa: diciembre 1 990

Versión española: noviembre 1 995


Interruptor automático Fluarc al SF6

y protección de motores de MT

1 Historia p. 5

2 Ruptura por autosoplado (autoextinción) p. 6

3 Arco giratorio p. 8

4 Rupturas y sobretensiones de maniobra p. 9

5 Sobretensiones y ondas de frente abrupto p. 10

los recebados p. 10

el corte brusco de la corriente p. 13

los precebados p. 14

6 Aislamiento de los motores p. 14

7 Propagación de ondas de frente abrupto en los motores p. 15

consecuencias de los fenómenos p. 16de sobretensión

8 Aislamiento del motor según las normas CEI y prácticas usuales p. 17

aislamiento entre espiras p. 16

aislamiento respecto a tierra p. 16

9 Prestaciones de los interruptores Fluarc p. 18

ensayos de corte p. 18

resultados de los ensayos p. 19

en la práctica p. 19

según la experiencia p. 20

10 Conclusión p. 21

Índice


Hasta finales de la década de los70, los interruptores automáticosMT (media tensión) utilizabanprincipalmente las técnicas deruptura en el aire y en baño deaceite.

Los interruptores automáticos enbaño de aceite, a pequeño o granvolumen de aceite, eran en Europala única alternativa tecnológica.

La mayoría de constructores deinterruptores automáticos, decalificación internacional, lospresentaban en sus catálogos.

Por otra parte las cualidades de losinterruptores automáticos a rupturaen el aire eran muy apreciados porsus usuarios en el dominio de ladistribución industrial de 6,6 a11 kV, en Asia y en Europa y de 5 a15 kV en el continente Americano.

Con los interruptores automáticosa ruptura en el aire, tanto paraaplicaciones en BT como MT, losusuarios no se preocupaban de las

sobretensiones y muy a menudono eran conscientes de laresistencia de este fenómeno. Enefecto, gracias al sopladomagnético en el aire, el granalargamiento del arco (función delvalor de la corriente cortada) y suenfriamiento permiten una rupturadulce, sin sobretensionesexcesivas.

Las técnicas de ruptura en el gasexafluoruro de azufre -SF6-, o en elvacío comenzaron a ser utilizadasen los años 70-75 (según el país)particularmente para losinterruptores automáticos MT enlos centros de transformaciónprimarios.

El éxito de estas dos nuevastécnicas no tuvo que ser probado.

Sus ventajas son:

n una duración de vida muchomayor que la de los interruptoresautomáticos en aceite,

cuaderno técnico Merlin Gerin nº 143 / p 2

1 Historia

n un mejor comportamiento en losreenganches rápidos, corte debaterías de acumuladores, etc., encomparación a los de ruptura enaceite o en el aire,

n un reducido volumen, en relación alos interruptores a ruptura en el aire.

Para reemplazar los interruptoresautomáticos de ruptura en el aire, enlas aplicaciones industriales yparticularmente en la ruptura de lascorrientes de arranque de motores, elinterruptor automático SF6 es lasolución, ofreciendo:

n las ventajas de un ruptura dulce,

n y un volumen mucho menorrespecto a los interruptoresautomáticos de corte en el aire.

Por todas estas razones, después dehaberse fabricado durante 35 años elinterruptor automático a ruptura en elaire, tipo Solenarc, Merlin Gerin optó apartir del año 1 970 por la tecnologíade ruptura en el SF6, en el sector dela media tensión.


2 Ruptura por autosoplado (autoextinción)

h

50

entalpía10 kJ/g

40

30

20

10

5 000o 10 000o 15 000o

T en K

i

t

Fig. 2: Efecto tapón.

Fig. 1: Entalpía del SF6 en función de latemperatura.

enseñan que el gasto de masa nopuede aumentar indefinidamente alaumentar la velocidad.

El desarrollo técnico actual hace quesea interesante mantenerse en lasproximidades de la velocidad delsonido.

Esta velocidad se puede alcanzar conuna geometría adecuada y con unacierta energía desarrollada en laruptura. Tecnológicamente loscontactos tubulares huecos facilitan elescape rápido del gas caliente, loque conlleva la inestabilidad de laraíz del arco, evitando el desgaste delos contactos del mismo.

Es digna de destacar la eficacia de latécnica de soplado: sólo se necesitainyectar una pequeña cantidad de gasentre los contactos; por ejemplo, enlos interruptores automáticos FluarcFB y FG, la cantidad de gascomprimido inyectado en el cuello deltubo es de cinco gramos durante laapertura.

Para limitar la temperatura del arco,que puede alcanzar 10 000 ó15 000 ºC, al aproximarse la corrientea cero, es necesario haber evacuadola energía calorífica producida (quealcanza aproximadamente 30 000Julios en la interrupción de una

Todos los Fluarc son interruptoresautomáticos de autosoplado. Estosignifica que, durante toda la vida útilde un interruptor automático -20 ó 30años- es la misma masa del gasSF6, contenido en un recinto cerradoestanco y sellado al vacío, la queparticipa en la ruptura y en elaislamiento.

Durante el período de arco, éste esenfriado por la convección del SF6,gracias al intercambio térmico entre elgas «calentado» por el arco y el gasfrío.

Más exactamente, el gas frío esimpulsado perpendicularmente a lacolumna del arco para reforzar lamezcla de gas caliente y gas frío(fenómeno de turbulencia).Comparativamente, la energíacalorífica intercambiada porconducción radial es muy poca.

Cabría esperar un intercambiocalorífico por radiación debido a la altatemperatura del arco. De hecho estosintercambios son ínfimos porque laradiación la producen únicamente lascapas periféricas del arco. Loscambios de temperatura durante elperíodo del arco tienen lugar, sobretodo, por convección.

La energía suministrada por elsistema, durante un tiempo dt a unamasa de gas dm, es:

dW= V.I.dt = h.dm,

siendo:

V = tensión del arco,h = entalpía por unidad de masa;

o bien:

V.I.dt = h.ρ. s.dx

siendo:

ρ = densidad,s = sección del arco durante el corte,dx = camino recorrido por la masa dmdurante el tiempo dt.

De donde V.I = h.ρ.s.u, siendo u lavelocidad del gas.

La energía transmitida dependedirectamente de esta velocidad, perolas leyes de evacuación de gases nos

corriente de 25 kA). La curva deentalpía del gas muestra que ungramo de SF6 es suficiente paratransportar esta energía (figura 1).

Durante el período del arco, el espacioocupado por éste en el cuello del tubodepende del valor de la corrienteinstantánea.

La sección del arco, como es propor-cional al valor de la corriente, estásujeta a la misma variación senoidal.Con valores elevados de corriente, elarco puede ocupar todo el espacio,impidiendo así el flujo de gas frío: es eldenominado efecto «tapón» (figura 2).


El gasto total de masa en la base deltubo es, pues, débil cuando losvalores de la corriente son elevados,pero se eleva rápidamente en cuantola corriente cesa, justo antes del cerode corriente. Esto es más importantecuando se corta una corriente débil(figura 3).

El efecto «tapón» es beneficioso pordos razones:

n cuando un interruptor automático seabre con una corriente elevada,conserva una cantidad de gas enreserva más importante que cuandointerrumpe corrientes más débiles. Noactúa pues «ciego» en las proximi-dades del cero de corriente. Enconsecuencia:

o con una gran corriente, el gasparticipa muy eficazmente en elenfriamiento y desionización del arco,

o y con corrientes débiles, el pequeñogasto de masa evita el corte brusco(«arrancamiento»),

n la interrupción de una corrientefuerte implica un freno en elmovimiento de la apertura. Estefrenado limita la distancia entre loscontactos, o sea la longitud del arco, ycon ello la energía en él disipada. Atítulo indicativo, en los aparatos de MT(12, 24 ó 36 kV) la longitud del arco esdel orden de los 15 mm.

Fig. 3: Variación de la sección del arco, de la carrera de los contactos y del gasto demasa de SF6 para un corte:

al 10 % del poder de corte,al 100 % del poder de corte: efecto tapón.

t 0

recorridode loscontactos

efecto tapón

circuitoabierto

circuitocerrado : gasto en la apertura de los contactos del arco

t

t

sección del arco(proporcionala la corriente)

con efectotapón

t 0

t

gasto demasa degas

t 0

efecto tapón

sin efectotapón


3 El arco giratorio

Esta técnica se utiliza en particular enlos aparatos de gran cadencia demaniobra, por ejemplo en loscontactores Rollarc y en algunosinterruptores automáticos.

Principio

Un conductor recorrido por unacorriente y colocado en un campomagnético queda sometido a unafuerza que tiende a desplazarlo: es laley de Laplace (campo-fuerza-corriente). Y es esta misma ley la que,aplicada a un arco eléctrico conductor,permite obtener el arco circular.

Aplicación

Después de separarse los contactosprincipales, la corriente a cortar pasaa través de un solenoide hasta unelectrodo circular. Entre dos anillosaparece un arco, perpendicular alcampo magnético β producido por elsolenoide. Siendo el arco conductor,queda sometido a una fuerza F y, enconsecuencia, acelerado en sentidocircular (Figura 4).

La técnica del arco circular presentavarias ventajas:

n al rodearlo de SF6, el enfriamientodel arco es muy eficaz,

FI

B

I

núcleo magnético

bobina recorrida porla corriente a cortar

circuito magnético

contacto fijo principal

contacto de arco fijo

contacto de arco móvil

contacto móvil principal

velocidad de rotación del arco

durante el período justo antes del cerodel arco de corriente

corrientes elevadas muy elevada elevada elevada(velocidad del sonido)

corrientes débiles elevada reducida

Fig. 5: Velocidad de rotación del arco debida al campo magnético.

Fig. 4: Ejemplo de un contacto de arco giratorio (contactor tipo Rollarc).

n gracias al movimiento de las raícesdel arco, se evitan los puntoscalientes que producen vaporesmetálicos y el desgaste puntual;

n esta rotación del arco dura hasta elcero de corriente.

Se ha medido la velocidad de rotacióndel arco. Varía con la intensidad de lacorriente a cortar, y, en el gas, puedealcanzar la velocidad del sonido paralas grandes corrientes decortocircuito.

Durante la ruptura de las corrientes decortocircuito, la fuerza en lasproximidades del cero de corriente essuficientemente elevada paramantener el arco en rotación. En

efecto, la fuerza es igual al productovectorial del campo y de la corriente,dos parámetros que no están en fase,pero cuyo producto mantiene un valorsignificativo en las proximidades delcero de corriente (Figura 5).

Durante la ruptura de bajascorrientes, la velocidad es muyreducida justo antes del paso porcero de la corriente. Entonces elenfriamiento por convección esmenor y la desionización sólo sedebe a las cualidades intrínsecas delgas SF6. Este reducido enfriamiento yesta desionización hacen que laruptura se efectúe suavemente y sinsobretensiones de maniobra.


4 Rupturas y sobretensiones de maniobra

La modificación brusca de laestructura de una red eléctricaprovoca la aparición de fenómenostransitorios. Éstos se traducen, amenudo, en la aparición de una ondade sobretensión, o de un tren deondas de HF de tipo aperiódico uoscilatorio de amortiguación rápida.

Este problema de las sobretensionesligado a la maniobra de circuitos, seacual sea el aparato (interruptor,contactor, fusible o interruptorautomático), ha dado mucho quehablar y se han realizado numerososestudios a este propósito.

Para comprender el problema esnecesario examinar los fenómenosque dan origen a las diversassobretensiones u ondas de frenteabrupto, que aparecen:

n en la desconexión, recebadossucesivos o cortes de la corriente;

n al cierre, con ciertos tipos deaparatos de maniobra, en losprecebados sucesivos.

Hay que tener en cuenta que:

n la amplitud de las sobretensionesque tienen por origen estos tres tiposde fenómenos depende del instante(con relación a la senoide) en el quese inicia el proceso;

n los fenómenos de precebados y derecebados sucesivos dependen sobretodo del tipo de aparato de corte.

En todos estos fenómenos, es unfactor importante de sobretensión elcorte de las pequeñas corrientesinductivas debidas a la energía deautoinducción (1/2.L.I2) de loscircuitos. Estas sobretensionesdependen de la aparamenta de corteutilizada y de la carga, especialmentetransformador o motor:

n en los transformadores en vacío, siel factor de amplitud es débil, el cortede las pequeñas corrientesmagnetizantes es fácil y sin peligroalguno;

n en los motores, el corte de lascorrientes de arranque es más difícil ypuede producir graves consecuencias,especialmente en lo que se refiere a ladestrucción progresiva de losaislamientos del motor que son másdelicados que en otros equipos.

De hecho, el precio y la sensibilidad alas sobretensiones de un gran númerode motores MT utilizados en laindustria, han convertido en prudentesa los usuarios y a los proyectistas delas redes, porque estas máquinas,durante toda su vida, sufrensobretensiones diversas en amplitud ytiempo de subida.

Recientemente, a raíz de fallos enmotores y con determinadas técnicasde corte, se han efectuado numerososestudios a cerca de lassobretensiones de maniobra.

Estos estudios demuestran que, paracualquier técnica de corte, lassobretensiones aplicadas a los bornesde un motor que gira a velocidad derégimen, esté o no cargado, no son,en la mayoria de casos, capaces dedañar el aislamiento de los motores.Esto se debe a la débil impedancia dela onda y a la fuerzacontraelectromotriz generada por elbobinado del motor. En el arranque,esta fuerza contraelectromotriz noexiste y el riesgo es elevado.

Para comprender mejor las influenciasy prestaciones de los aparatos decorte es interesante:

n estudiar las características de lasformas de las ondas de sobretensióngeneradas por las maniobras de cortey el efecto de estas ondas sobre losdiferentes tipos de aislamiento;

n determinar los efectos de lassobretensiones sobre el aislamientode los motores;

n conocer el comportamiento entensión de los motores.


5 Sobretensiones y ondas de frente abrupto

El estudio de las sobretensionespasa por el de los tres fenómenoscitados precedentemente:

n los recebados,n el corte de la corriente,n los precebados.

Los recebadosEl fenómeno

Cuando los contactos se separan,justo antes del paso por cero de lacorriente de 50 Hz, se puede producirun cebado puesto que la tensión seeleva entre los contactos que, aúndemasiado próximos, no hanalcanzado la distancia de aislamientonecesaria. La corriente que seestablece entonces es una corrientede alta frecuencia que el dispositivode ruptura es capaz de interrumpir sisu velocidad de regeneracióndieléctrica es muy elevada.Seguidamente se repite el mismoproceso y se pueden producir muchosrecebados, hasta un centenar. Estosrecebados producen ondas que sepropagan a lo largo del circuito. Laamplitud de estas ondas depende dela diferencia de tensión que hay entrelos contactos justo antes de que seproduzca la ruptura.

Para resumir este fenómeno, si unaparato puede interrumpir corrientestransitorias de alta frecuencia, puedetambién provocar trenes de ondastransitorias de alta frecuencia.

Hay que observar que un motor puedeestar sometido a una onda de frenteabrupto, del mismo tipo que las queaparecen en su aparato de maniobra,pero con una amplitud doble (en razóndel fenómeno de reflexión de onda).

Los recebados según las normasCEI

En los documentos de la CEI, losrecebados múltiples, creados por laaparamenta de conmutación, secalifican como «sucesos anormales».En este caso los equipos sensibles(bobinados de los motores) deben:

n o bien, estar preparados parasoportar unos niveles muy elevadosde la tensión de choque,

n o bien, estar protegidos de unmodo adecuado.

Para los motores MT el usuario tiene,pues, dos soluciones para evitardaños:

n o bien utilizar motores que tenganun aislamiento muy bueno, que se

corresponda con las características(frente, amplitud) de las ondas defrente abrupto que se propaguen,

n o bien utilizar limitadores desobretensión (para limitar la amplitudde las sobretensiones) y sistemas RC(para derivar las corrientes transitoriasde alta frecuencia).

Los documentos CEI que explicanestos fenómenos (figura 6) dicen que

Fig. 6: Tensión del lado de la carga.

Uf: valor instantáneo de la tensión dered

Uc: tensión de red en el instante delcorte

Um: punto de extinción

fase en la que se produce el corte

U

t

U

t

fase todavía no cortada

Up

UpUs

Uc Um

Uf

Ulf

UIf: sobretensión respecto a tierraUp: sobretensión máxima respecto a

tierraUs: amplitud máxima, cresta a cresta,de la sobretensión debida al recebado


los recebados no quedan sólodefinidos por el nivel de sobretensióncon relación a tierra -Ulf- sino tambiénpor el valor máximo de la tensióncresta a cresta -Us-.

Fenómenos transitorios derecebado

En la realidad, fenómenos transitoriosacompañan, muy a menudo, losrecebados anteriormente descritos.Esta realidad se representa en elesquema equivalente (figura 7) de uncircuito, que comprende:

n una fuente de tensión senoidal, deinductancia L1 y capacidad C1,

n un dispositivo de corte (interruptorautomático D) no disociable de loselementos parásitos Lp y Cp,

n una carga inductiva L2 que poseeuna capacidad repartida simbolizadapor C2,

n y una inductancia de línea L0.

Después de un corte, se presentanvarias oscilaciones independientes:

n a nivel del interruptor automático,los valores parásitos de Cp1 y Lp1provocan una primera oscilaciónparalela de frecuencia Fp1 muyelevada, de 1 a 10 Mhz, durante lacual Cp1 se descarga a través delinterruptor automático:

1p1p1p

C.L2

1F

π=

n el segundo fenómeno, denominadosegunda oscilación paralela,provocado por una transferencia deenergía, se produce entre la fuente ylas capacidades de la carga a travésde la inductancia de unión L0, que serefiere al bucle «interruptorautomático-C1- L0-C2"».

Esta oscilación se produce con unafrecuencia Fp2 de 100 a 500 kHz:

210

212p

C.C.L

CC

2

1F

+π

= .

De hecho, unos valores importantesde la inductancia de la fuente y de lasinductancias de la carga hacen que elresto del circuito no quede afectadopor las segundas oscilacionesparalelas.

n el tercer fenómeno, llamadooscilación del circuito principal, afectaa todo el circuito con una frecuenciaFm de 5 a 20 kHz:

( )2121

21m

CC.L.L

LL

2

1F

++

π=

expresión que puede simplificarsepara una carga muy inductiva:

( )211m

CCL2

1F

+π= , si L1 << L2

Estas tres oscilaciones se producen almismo tiempo después del recebado,y la sobretensión que de ello resultaes una superposición de tres formasde onda. Sin embargo, el desarrollo deestas formas de onda depende de lascaracterísticas del interruptorautomático, de las del circuito y de laamortiguación de los componentesresistivos.

El recebado único

Iniciada por la descarga de Cp1, laprimera oscilación paralela se producejusto después del interruptorautomático, con una frecuenciaelevada Cp1. La segunda oscilaciónparalela, ahora dominante, implica unacorriente oscilatoria que puedeprovocar (o no) un cero de corriente y,en este caso, puede (o no) ser cortadapor el interruptor automático.

En caso contrario, la oscilacióncontinúa hasta ser suficientementeamortiguada y entonces predomina laoscilación del circuito principal.

Los recebados múltiples

En circuitos fuertemente inductivos, lacorriente está defasada cerca de 90ºcon relación a la tensión. Por tanto,después de la interrupción de lacorriente en las proximidades de cero,la tensión alcanza casi su valor decresta.

La tensión comienza a oscilar a lafrecuencia fL en el lado de la carga ya la frecuencia fS en el lado de lafuente. Si la diferencia instantánea delas tensiones excede del nivel detensión dieléctrica, se produce unrecebado del arco.

El circuito sufre entonces las primerasy segundas oscilaciones paralelas dellado de la carga. Estas segundasoscilaciones provocan una corrientede alta frecuencia que atraviesa elinterruptor automático. Cuando estacorriente se superpone a la corrientede frecuencia industrial (50 ó 60 Hz),puede crear muchos ceros decorriente de alta frecuencia. La rupturaefectiva depende entonces de la di/dtde la corriente al pasar por cero y dela capacidad del aparato de cortar conese di/dt. Esto depende de lavelocidad de regeneración dieléctrica:

n en el caso de interruptoresautomáticos con una gran velocidadde regeneración dieléctrica, la rupturadefinitiva puede producirse despuésdel primer paso por cero de lacorriente de alta frecuencia,

n para interruptores automáticos develocidad de regeneración más lenta,

LC C

primer bucle de oscilación paralela

segundo bucle deoscilación paralela

L

C L

L

1

1

p1 p1 2 2

0

Fig. 7: Circuito equivalente, donde:Cp1: capacidad parásita del interruptor automático,Lp1: autoinducción del interruptor automático.


pueden ser necesarias muchasoscilaciones; incluso puede noproducirse la ruptura.

Las segundas oscilaciones paralelasinician esta corriente de altafrecuencia y, de este hecho, estacorriente pasa por dentro del circuitodel interruptor automático Cp1 y Lp1(figura 7). Su frecuencia es función delos componentes de este bucle. Así, elbucle de las segundas oscilacionesparalelas, salvo para perturbacionesdébiles, no afecta a la corriente quepasa por la inductancia de la carga L2.

Durante el período de los recebados,la tensión en bornes de la carga oscilaalrededor de un nivel de tensióndeterminado por el valor adquirido enla primera interrupción. El valor mediode tensión durante este períodoprovoca un aumento de la corriente decarga.

Durante el período de ruptura, latensión transitoria de restablecimientosube hasta que sobrepasa la rigidezdieléctrica del espacio entre loscontactos y provoca así un recebado.

Hay que recordar que, durante elperíodo de apertura de un interruptorautomático, sus contactos se separany, en consecuencia, la rigidezdieléctrica del espacio entrecontactos, así como la tensión decebado, se incrementan a cadarecebado.

Durante este tiempo, la corriente decarga va a aumentar y después adisminuir según que el valorinstantáneo de la tensión en el lado dela carga exceda o no el nivel detensión E/2, tal como muestra lafigura 8.

Así, las características del circuito ydel interruptor automático gobiernan laposible sobretensión de recebado. Lacurva de onda de recebado es, pues,función de la frecuencia del circuito dela segunda oscilación paralela, entanto que la amplitud posible quedadeterminada por la potenciadisponible, es decir por la potenciaalmacenada en la inductancia delcircuito y en la capacidad en elmomento de la ruptura.

En la práctica:

n los recebados sucesivos y lasinterrupciones de la corriente defrecuencias elevadas, que provoca el

proceso de los recebados múltiples,pueden repetirse muchas veces. Lacantidad de energía crece en lainductancia de la carga conformeaumenta la separación de loscontactos, pues cada recebadosucesivo se produce a una tensiónmás elevada;

n la amplitud está limitada por latensión dieléctrica del espacio entrelos contactos, amplitud que vacreciendo durante la apertura. Elverdadero valor de la tensión derecebado es pues función de laenergía disponible y de laregeneración dieléctrica, si bien nopuede fijarse un valor general máximo.

El proceso de recebado/corte puedeinterrumpirse de dos maneras:

n la primera, al acabarse losfenómenos de recebado. Laseparación entre contactos, necesariapara cortar, aumenta al mismo tiempoque la tensión transitoria derestablecimiento (TTR). Cuando elnivel de aumento de la tensióndieléctrica sobrepasa el nivel decrecimiento de la TTR la ruptura esdefinitiva;

n la segunda forma es no cortarrápidamente la corriente de AF, sinoesperar a que se amortigüe y seanule, para cortarla definitivamente alpróximo paso por cero de la corrientea frecuencia industrial.

Fig. 8: Recebado.

t

instante de separación de los contactos

corriente cerot = 0

E

0

- E/2

zona de tensión dieléctricaentre los contactos

tensión al lado de la carga

V

V

tensiónde alimentación

períodode extinción

períodode descarga

t

corriente del lado de la carga durante los procesos de recebados

máx

mín


siendo x = amplitud de la oscilaciónalrededor del potencial del neutro.

De ello se deduce que:

n hasta que no se produce lainterrupción de la corriente, el valormínimo de Umáx obtenido es:

(Umáx)mín = 0,5 V + X

= 0,5 V + (K - 1) 1,5 V

= 1,7 V para K = 1,8

= 1,4 V para K = 1,6.

n con una corriente interrumpida,pequeña pero no despreciable, Umáxes mucho más importante; los valoresmás elevados pueden observarsecuando la ruptura de la primera faseprovoca la interrupción, casiinstantánea, de las otras fases. Estefenómeno se denomina interrupciónde la corriente virtual.

El proceso de interrupción de estacorriente virtual depende únicamentede las características del circuito y de

Corte brusco de lacorrienteSe define como un «corte brusco dela corriente bastante alejado del cerode corriente de 50 ó 60 Hz».

Después de que se ha llevadobruscamente a cero la corriente pormedio de la ruptura, la corriente de lainductancia de carga necesita uncierto tiempo para disipar la energíamagnética almacenada y permitir alcampo magnético su desaparición. Laenergía almacenada en la inductanciaL2 (figura 7) se transfiere en cadaoscilación a la capacidad C2 y creauna sobretensión. Gracias al principiode la conservación de la energía, larelación matemática entre la corrientecortada «la» y el valor de lasobretensión es bien conocida:

C2.Umáx2 = C2.Uc

2 + L2.Ia212

12

12

2c

2

22cmáx I.

C

LUU +=

donde:

Uc= tensión en bornes de C2 antesde la oscilación,

C2= valor de la capacidad aguasabajo,

L2 = valor de la inductancia aguasabajo.

Y por tanto, si el neutro del lado de lacarga no ha sido puesto a tierra (quees el caso para la mayoría demotores), a partir del corte de laprimera fase (figura 9) se produce undesplazamiento del potencial delneutro con relación a tierra y lasobretensión resultante es:

( ) 2c

2

22máx I.

C

L5,1V5,1V5,0U +=

siendo V = tensión simple entre fase yneutro.

Pero esta ecuación no tiene en cuentael amortiguamiento del circuito quehace decrecer progresivamente laamplitud de las oscilaciones. En lapráctica es necesario, pues, introducirun factor de amortiguación K:

la conexión entre fases. Puede, pues,producirse con cualquier interruptorautomático.

n cuando la corriente cortada es devalor elevado, la potencia almacenadaen el circuito de carga en el momentode la ruptura puede serextremadamente elevada y puedemotivar sobretensiones excesivas.

Los precebadosEn el momento del cierre de losaparatos de conexión (interruptorautomático-contactor-interruptor), sepasa por una posición en la que latensión dieléctrica entre los contactosse hace inferior a la tensión entre loscontactos. En esta posición seproduce un cebado (llamadoprecebado). Las tensiones del lado dela fuente y del lado de la carga van aalcanzar muy rápidamente una tensiónintermedia y la tensión entre los

I

N

V

U

X

V0,5

máx

i

a

Fig. 9: Corte de la primera fase con corriente arrancada Ia.

V5,1

x1K +=


bornes aguas arriba y aguas abajodel aparato de corte decrecen paraalcanzar un valor más bajo. Estecambio rápido de tensión tiene porefecto crear una onda de tensión defrente abrupto a un lado y otro delaparato. La amplitud del frente puedealcanzar un valor tan grande como elvalor de cresta de la tensión simple.Las ondas de alta frecuencia queresultan de ello alcanzan la carga enla que tiene lugar una reflexión y laonda reflejada vuelve a los bornes delinterruptor automático. El arco deprecebado puede entonces sercortado al paso por cero de lacorriente, o en las proximidades delcero. Su ruptura depende de la di/dtde la corriente cuando pasa por cero.

Pero estando en curso del cierre, laseparación entre los contactos

disminuye; esta ruptura no es puesefectiva hasta que la tensión vuelvede nuevo a un valor inferior a latensión dieléctrica. Antes de que loscontactos se toquen el proceso puederepetirse varias veces.

La tensión que aparece en los bornesdel receptor presenta un «dobleefecto», debido a la reflexión(generalmente del orden de 1,8 vecesla tensión establecida). Después dealcanzado su valor de cresta, la ondade tensión de alta frecuencia decrecelentamente debido al paso de lasondas por el cable (la impedanciacaracterística de un cable es dealgunas decenas de ohmio).

El proceso repetido de los precebadosseguido de una onda de corriente dealta frecuencia y de un corte de lacorriente es pues semejante en su

naturaleza al fenómeno de recebadosdescrito precedentemente. Hay unadiferencia: como la tensión dieléctricadisminuye con la aproximación de loscontactos, la curva envolvente de lostrenes de oscilación HF esdecreciente.

Como acabamos de ver, el fenómenode precebado es muy complejo y difícilde prever. La aparición desobretensiones depende denumerosos factores:

n características del interruptorautomático (propiedades dieléctricas,capacidad de cortar corrientes de altafrecuencia),

n características del circuito(impedancias características decables y receptores),

n así como del instante del cierre.

6 Aislamiento de los motores

La mayoría de los devanadosestatóricos de las máquinas decorriente alterna están constituidospor bobinas preformadas, conectadasentre sí para formar el bobinado deuna fase. Las bobinas estánconstituidas por muchas espiras enserie, debiendo de estar aisladas unasde otras y del circuito magnéticopuesto a tierra.

El aislamiento pues a considerar es«entre espiras» y «entre bobinado ymasa».

Para asegurar su funcionaminento enel plano magnético y térmico, lasbobinas se colocan en unas ranurassituadas en la parte interior del

estator, que está puesto a tierra. Así,el aislamiento de tipo seco entreespiras no tiene necesidad de serelevado; en cambio, el aislamientoentre las bobinas y la masa debe serelevado para soportar la tensión fase-tierra.

Esto lleva a distancias de aislamientomenores entre espiras y mayores enel aislamiento con relación a masa.Esta tecnología introduce unacapacidad importante, por una parteentre espiras y, por otra, entre lasbobinas y las ranuras, lo que implicauna reducida velocidad depropagación de la sobretensión en losbobinados de un motor.

El bobinado de la máquina, aisladocon relación a la tierra (o aislamientoprincipal), está sometido a esfuerzosdieléctricos de tres a siete vecessuperiores a la tensión nominal de50 Hz.

El aislamiento entre espiras estánormalmente sometido a un nivel deesfuerzo muy bajo, pero que puedellegar a ser de 100 a 1 000 vecesmayor para las primeras espiras de losbobinados cuando se producensobretensiones debidas areencendidos múltiples. Esteaislamiento entre espiras es, por ello,muy difícil de ensayar, lo que lleva adiversas opiniones sobre lascondiciones de ensayo. No existenensayos directos normalizados.


Como se ha descrito anteriormente,el estator de un motor estáconstituido por numerosas espiras.

Determinar con precisión el fraciona-miento entre las espiras de la tensiónde choque de frente abrupto es muydifícil. Así se han desarrollado muchosmodelos para estudiar estassobretensiones y su reparto, el másconocido utiliza una red mallada debobinas y condensadores enderivación.

En esta red mallada el bobinado estáconsiderado como un «medio» en elcual las ondas se propagan con unaindependencia característica dada ydurante un cierto tiempo. La onda defrente abrupto emplea, pues, un ciertotiempo (Tt) para pasar de una espira aotra; este tiempo es generalmentemucho menor que el tiempo de subidade la onda (Tf) (figura 10).

Si la amplitud de la onda es Vmáx, latensión desarrollada en las espiras es:

V2 = Vmáx . (Tt/Tf).

Así para un motor con una caracterís-tica dada de propagación de onda(Tt), la tensión que aparece en bornesde la primera espira depende de laamplitud y del tiempo de subida de lasobretensión.

Los gráficos de las experiencias(figura 11) revelan que:

n los tiempos de frente de ondasuperiores a 3 µs provocan unatensión despreciable en los bornes delas primeras espiras;

n la amplitud de la sobretensión esmás importante en las ondas cuyofrente de subida es del orden de 0,5 a0,2 µs;

n estos resultados sonindependientes de la potencia delmotor considerado.

Sin embargo la duración de talessobretensiones (ondas de frenteabrupto) es muy corta; por tanto, aúncuando la potencia instantánea de lasobretensión puede ser elevada, laenergía es muy reducida. Por esto, losdaños provocados en el aislamiento,

7 Propagación de las ondas de frente abrupto en los motores

0 A B C D

V V V V V0 A B C D

V

0

0,5 1,0 1,5 2,0 2,5

20

40

60

80

100

0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5

20

40

60

80

100

V0VA

VB VC

t t

t (µs)

t (µs)

tensión en los extremos de la bobina

tensión en la primera espiratensión% V

tensiónfase-tierra% V

(V - V )0 A

teórica real

tf

Fig. 10: Tensión desarrollada entre espiras y los extremos de la bobina, al aplicar unatensión de frente abrupto al bobinado de un motor.

Fig. 11: amplitud de la tensión en función del tiempo de subida de la onda.

0 1 2 30

20

40

60

80

100

V%

X

X

O

O

O

O

O o

+

+

+

Potencia de los motores: 2 200 kW: 100 kW: 75 kW

x, + : otras potencias

τf

τc

τ (µs)


bajo la forma de agujeros microscó-picos, a menudo denominados«pinchazos de alfiler», son muylimitados y, muy a menudo, no puedenser detectados. En efecto, un solo«pinchazo» causa muy pocasmodificaciones en las característicasdel aislamiento. Pero estos«pinchazos de alfiler» se multiplican alritmo de las sobretensiones de frenteabrupto. Provocan entonces «puntoscalientes», que deterioranprogresivamente las característicasdel aislante, limitando así la duracióndel motor. Esta degradación es unproceso normalmente lento que puedeno notarse hasta que el aislamiento dela bobina esté totalmente deteriorado.

Recientes discusiones sobre losdaños creados en los motores de MThan conducido a establecer las curvasde resistencia de los motores a lastensiones de choque. A título deejemplo, la figura 12 muestra la curvade resistencia al choque en funcióndel tiempo de subida, publicada por unComité del Instituto de IngenierosElectricistas y Electrónicos (IEEE) quetiene en cuenta el envejecimiento delos motores. Esta curva muestra laexcelente capacidad del aislamientode los motores para soportar lassobretensiones de frente de onda deduración superior a 5 µs, perotambién, la gran sensibilidad a loscebados debidos a las sobretensionesque tienen frentes de onda deduración inferior a 1 µs. La exigenciaes, pues, función, sobre todo, deltiempo de subida de la sobretensión.

Consecuencias delfenómeno de lassobretensionesLos recebados

Como se ha explicado anteriormente,cada recebado sucesivo se produce auna tensión más elevada con un valormáximo que no puede fijarse. Ahorabien, la repetición excesiva de lassobretensiones puede llevar a ladestrucción definitiva del aislamientoentre espiras por lo que el número derecebados durante un mismo corte esun dato fundamental.

La interrupción de la corriente

Los fallos de los motores causadospor este fenómeno, directamenteligado al instante inicial de la ruptura,son:

n o bien debidos a una sobretensiónmuy elevada, como consecuencia dela interrupción de una corriente muyfuerte,

n o bien se deben a una repetición desobretensiones de menor valor, comoconsecuencia de varias maniobras deinterrupción.

Los precebados

Después del precebado del primerpolo, puede aparecer en bornes delmotor una onda de frente abrupto de1,8 por unidad (p.u.). Esta tensión sepropaga a través de las bobinas yaparecerá en la entrada de la segundabobina como una oscilación «lenta»de amplitud 1,8 p.u. En estemomento, la tensión del lado fuente es

máxima en la fase A (1 p.u.) y, en lasfases B y C, es igual a 0,5 p.u.

Así, en el caso más desfavorable,cuando el precebado se producesobre un segundo polo, y cuando latensión al lado motor es igual a 1,8p.u., se aplica una tensión de 2,3 p.u.al lado de la fuente y al lado de lacarga, bajo la forma de onda de frenteabrupto. Esta onda sufre también unareflexión que lleva su amplitud a 1,8 +2,3 = 4,1 p.u. en los bornes del motor.

En resumen

Los fenómenos de precebado sonmuy complejos. Las sobretensionesque de ellos resultan dependen demuchos factores: del interruptorautomático y de su comportamiento entales circunstancias (capacidad o node interrumpir prematuramente lacorriente), del circuito (impedanciastransitorias, frecuencias propias), asícomo del instante de cierre sobre laonda senoidal de la corriente.

Fig. 12: Curva envolvente de la resistencia a la tensión de choque del motor.

0 1 2 3 4 5 6 7 80,2

1

2

3

4

5

V1

V2

V3

tens

ión

de c

hoqu

e fa

se/ti

erra

(p.

u.)

duración del frente en µs

kVennominaltensiónVI =

.)u.p1(.V32V 11 =

12 V2V =

)1V2(225,1V 13 +=


8 Aislamiento del motor según las normas CEI y prácticas usuales

El comité técnico para las máquinasrotativas (que trabaja para la CEI) ydiferentes autores de la literaturatécnica, se han puesto de acuerdosobre los niveles de aislamientonominal de las máquinas rotativas deMT. La norma CEI 34 estipula losniveles siguientes:

Aislamiento entre espirasEl comportamiento ante una tensiónde choque de rayo se verificaaplicando una onda de frente abrupto,de nivel (4Un + 5) kV, siendo Un latensión nominal. Así, para Un = 6,6kV, la tensión de ensayo es de:

(4 x 6,6) + 5 = 31 kV (cresta).

Generalmente, el nivel desobretensión se expresa en p.u. (porunidad), que es el valor cresta de latensión fase-tierra:

3

2.Un.u.p = .

Para Un = 6,6 kV, la tensión deensayo se escribe también así:

4,9 p.u. + 5 kV (cresta).

Por convención, el 50% de estatensión debe ser aplicada en losbornes de una muestra de las bobinasde entrada, lo que corresponde a uncompromiso, debido a la distribuciónno lineal de la tensión a lo largo delbobinado. El tiempo de frente de ondano debe ser inferior a 0,5 µs.

aislamiento ensayo a 50 (60) Hz ensayo de choquevalor eficaz

entre espiras 4,9 p.u. + 5 = 31 kV a 6,6 kV(50 % sobre una muestra)tiempo de subida 0,5 µs

respecto 2 UN + 1 ⇒ 2 (2 UN + 1) ⇒ 0 4,9 p.u. + 5 = 31 kV a 6,6 kVa tierra 14 kV ⇒ 28 kV ⇒ 0 tiempo de subida 1,2 µs

Aislamiento respecto atierraEnsayo de tensión a frecuenciaindustrial

La tensión eficaz (2Un + 1) kV seaplica entre los bornes del devanado yla tierra durante un minuto, acontinuación se aumenta a unavelocidad de 1 kV/s hasta dos veces(2 Un +1) kV; después se reduceinmediatamente a cero, a la cadenciade al menos 1 kV/s. Después de esteensayo el motor no debe presentar nifallo de aislamiento ni daños.

El valor de cresta ( )1Un222 + kV,

derivado de este ensayo, es un pocosuperior al del ensayo de choque.

Para Un = 6,6 kV, el valor de crestacorrespondiente es, entonces, de:

( )1Un222 + = 40 kV; pero éste sólo

se aplica durante un tiempo muybreve, en tanto que el valor de crestade 20 kV aparece cada semiperíododurante un minuto.

Ensayo de comportamiento frente ala tensión de choque de rayo

La tensión de ensayo es (4 Un + 5)kV, o 4,9 p.u. + 5 kV, en valor decresta.

Esta tensión es la misma que paraprobar el aislamiento entre espiras,pero con un tiempo de frente de1,2 µs.

La tabla de la figura 13 resume losdiferentes ensayos de coordinación deaislamiento que se efectúan en losmotores MT.

Fig.13: Niveles de aislamiento nominales para máquinas rotativas.

0 1 mn

1 kV/s


9 Prestaciones de los interruptores automáticos Fluarc

Se han hecho numerosos ensayosen diferentes laboratorios, desdehace años, sobre conjuntos«interruptor automático-motor MT» oen montajes equivalentes.

Recientemente, según el proyectoque está a punto de ser incluido en eldocumento CEI 17A, se han realizadolos ensayos siguientes en ellaboratorio Volta de Merlin Gerin(relación de ensayos AC 1239 yAC1241):

tipo de I(A) K (factor de sobretensión (p.u.) recebadosinterruptor amortiguamiento) media media múltiplesautomático SF6 + desvío tipo

FG2 100 1,77 2,96 3,43 no

100 1,77 2,94 3,41 no

280 1,54 1,91 2,09 no

280 1,54 1,87 2,14 no

FG1 100 1,77 1,63 1,81 no

100 1,77 1,79 2,14 no

280 1,54 1,69 1,78 no

280 1,54 1,43 1,64 no

Fig. 15: Resultados de los ensayos con interruptor automático Fluarc FG2/40 kA et FG1/25 kA : no se producen recebados múltiplestensión de ensayo: 7,3 kV - Cc: 7,35 µF).

Fig. 14: Esquema del circuito de ensayo de 100 A/7,3 kV - 280 A/7,3 kV.

Ensayos de corteEsquema del circuito: (figura 14)

100 A - 7,3 kV y 280 A -7,3 kV.

Características de los cables:

Los extremos de la pantalla del cablede campo radial se ponen a tierra.

Longitud: 100 m

Tensión: 12/20 kV

Corriente: 295 A

Tipo: Pirelli X23

Aislamiento: polietileno

Capacidad/m: 0,22 nF/m

Impedancia: 40 W

Parámetros del circuito motor

n corriente: 100 Acos ϕ: < 0,2frecuencia de oscilación: 11,7 kHz

n corriente: 280 Acos ϕ: < 0,2frecuencia de oscilación: 27 kHz

R

interruptorautomático

de protección

motor

órganode cierre

Co = 40 nFinductancia deljuego de barras

25 a 50 µH

cable concampo radiante

100 ± 10 m / 40 Ω ± 10 Ω

Cp = 400 pF a 2,5 nFcircuito de regulación

Cc = 7,35 µF5 Ω


Resultados de los ensayos(Figuras 15, 16, y 17)

Se utilizaron los interruptoresautomáticos Fluarc, el FG2/40 kA y elFG1/25 kA. Tensión de ensayo:7,3 kV.

Estos resultados se apoyan en veinteensayos realizados para cada valor decorriente y de capacidad. El resumentiene en cuenta el aspectoestadístico.

En la prácticaComo se explicó en el primercapítulo, las técnicas más utilizadasactualmente en la aparamenta de MTson la ruptura al vacío y la ruptura enSF6. Estas dos técnicas presentan,sin embargo, diferencias importantesen el campo de la protección demotores MT.

Frente a frente de los recebados yprecebados múltiples

Los fenómenos de recebadosmúltiples dependen de la capacidaddel interruptor automático para cortarcorrientes de alta frecuencia.

Los interruptores automáticos al vacíoson capaces de interrumpir corrientesHF, por el hecho de laextremadamente alta velocidad deregeneración dieléctrica: la tensióndieléctrica puede alcanzar el 75% delvalor que tendría normalmente entrelos contactos, al cabo solamente deun microsegundo después del cero decorriente. Cuando los interruptoresautomáticos y los contactores de corteen vacío cortan un circuito que poseesuficiente energía para iniciar unrecebado, resulta a menudo unproceso de corte/recebado (recebadosmúltiples).

Este comportamiento varía según eltipo de aleación de los contactos, peroresulta diferente del comportamientode un interruptor automático deruptura en SF6, que necesitaaproximadamente 10 microsegundospara alcanzar el 75% de su tensióndieléctrica.

Por tanto, con la técnica de corte enSF6, es posible conseguir un únicorecebado y frecuentemente cuandolos contactos se separan justo antesdel cero de corriente (50 Hz).Excepcionalmente pueden producirsealgunos recebados pero nunca ennúmero importante.

Frente a frente de la interrupción dela corriente

Se pueden observar algunassobretensiones cuando la ruptura dela primera fase provoca

Fig. 16: Oscilograma de ruptura de un interruptor automático FG2, a 100 A sobre 7,3 kV, con el circuito de ensayo CEI.

0,1 ms

vía 410.00 kV

vía 510.00 kV

vía 610.00 kV

17,6 kV

Laboratorio VOLTA C1239 86/12/12/030


prematuramente la ruptura de lasotras fases; este proceso,denominado de ruptura de corrientevirtual, depende enteramente de lascaracterísticas del circuito y de laconexión entre fases. Puede, pues,producirse con cualquier tipo deinterruptor automático.

Y como en otros fenómenos quehacen intervenir cortes de corriente dealta frecuencia, la ruptura de corrientevirtual corre más el riesgo deproducrise en los interruptoresautomáticos de corte al vacío que enlos interruptores automáticos de otrastécnicas de ruptura.

En resumen

La capacidad de los interruptoresautomáticos de corte al vacío deinterrumpir corrientes de altafrecuencia los hace mucho mássensibles a los precebados múltiplesque los demás interruptoresautomáticos. Por el contrario, losinterruptores automáticos al SF6 nocortan prematuramente las corrientesde alta frecuencia y no provocan, engeneral, más que un solo precebado.

Fig. 17: Oscilograma de ruptura de un interruptor automático FG1, a 100 A sobre 7,3 kV, con el circuito de ensayo CEI. El interruptorautomático corta sin arranque de la corriente.

1 ms

Laboratorio VOLTA C1241 86/12/16/013 100.0

vía 1.10 kA

vía 72.00 V

vía 410.00 kV

vía 2.10 kA

vía 82.00 V

vía 510.00 kV

vía 610.00 kV

vía 92.00 V

vía 3.10 kA

según la experienciaEl primer interruptor automáticoFluarc se instaló en 1 971. En 20años, se han instalado más de 70000 interruptores automáticos deeste tipo en el mundo entero, paraaplicaciones muy diversas en elcampo industrial donde lasmaniobras de motores deben serseguras en un 100%:

n auxiliares de centrales,n industrias pesadas (de proceso),n plataformas flotantes...

Esto demuestra la perfecta adaptaciónde los interruptores automáticosFluarc al mando y a la protección delos motores MT.


10 Conclusión

La comparación, entre el grado deprotección de los motores y laprotección contra sobretensionesresultante de la utilización de losinterruptores automáticos Fluarc,muestra que existe un buen margende seguridad.

A la tensión de 6,6 kV, que es la másutilizada para los motores, el nivel deaislamiento del conjunto de lainstalación MT (CEI 298) es de 60 kV«choque» y el aislamiento del motorentre sus bornes y tierra es desolamente 31 kV «choque» (CEI 34).

Este valor, comparado con losresultados de ensayo dados en elcapítulo 9, muestra que los Fluarc nosobretensionan de forma peligrosa elmotor.

Estos interruptores automáticoscubren una extensa gama decorrientes nominales, de tensiones yde poderes de corte. Para los casosdifíciles (viejos motores o riesgos deenvejecimiento acelerado), esaconsejable el empleo de losinterruptores automáticos Fluarc FG1,o de los contactores RollarcP < 250 kW), pues estos aparatosutilizan la técnica del arco giratorio.

Los Fluarc y Rollarc no generanrecebados múltiples, lo que permitemantener a salvo el aislamiento entrelas espiras de los motores.

La experiencia demuestra que suempleo hace innecesaria la utilizacióndel limitador de sobretensión ZnOpara descrestar, y de los circuitos RCpara atenuar los efectos de losrecebados múltiples.

j. hennebert d. gibbs - ingeniería de sistemas y...

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