Los métodos de protección de contactos están diseñados para mitigar el desgaste y la degradación que ocurren durante el uso normal de los contactos dentro de un interruptor , relé o contactor electromecánico y así evitar un aumento excesivo en la resistencia del contacto o falla del interruptor.
Un "contacto" es un par de electrodos (normalmente, uno móvil y otro estacionario) diseñados para controlar la electricidad. Los interruptores, relés y contactores electromecánicos "encienden la energía" cuando el electrodo móvil hace contacto con el electrodo estacionario para transportar corriente. Por el contrario, "apagan la energía" cuando el electrodo en movimiento rompe el contacto y el plasma del arco resultante deja de arder a medida que la brecha dieléctrica se ensancha lo suficiente para evitar el flujo de corriente. Los relés y contactores de potencia tienen dos clasificaciones principales de esperanza de vida: la “vida mecánica” se basa en operar sin corriente o por debajo de la corriente de humectación (es decir, “seco”) y la “vida eléctrica” se basa en operar por encima de la corriente de humectación (es decir, "Húmedo"). Estas diferentes clasificaciones se deben a que los contactos están diseñados para compensar el arco destructivo que ocurre naturalmente entre los electrodos durante el funcionamiento normal en húmedo. El arco de contacto es tan destructivo que la vida eléctrica de los relés y contactores de potencia suele ser una fracción de su vida mecánica respectiva. [1] [2]
Cada vez que se abren o cierran los contactos de un interruptor, relé o contactor electromecánico , se produce un cierto desgaste de los contactos. Si el contacto funciona sin electricidad (seco), el impacto de los electrodos de contacto se deforma ligeramente por la forja en frío resultante. [1] Cuando el contacto funciona bajo energía (húmedo), las fuentes de desgaste son el resultado de altas densidades de corriente en áreas microscópicas y el arco eléctrico . [2] El desgaste de los contactos incluye la transferencia de material entre contactos, la pérdida de material de contacto debido a salpicaduras y evaporación, y la oxidación o corrosión de los contactos debido a altas temperaturas e influencias atmosféricas. [3] [4]
Mientras un par de contactos está cerrado, sólo una pequeña parte de los contactos está en contacto íntimo debido a asperezas y películas de baja conductividad. Debido a la constricción de la corriente a un área muy pequeña, la densidad de corriente frecuentemente llega a ser tan alta que derrite una porción microscópica del contacto. [5] Durante la transición de cierre a apertura ( BREAK ), se forma un puente fundido microscópico y eventualmente se rompe asimétricamente, transfiriendo material de contacto entre contactos y aumentando la rugosidad de la superficie. Esto también puede ocurrir durante la transición de apertura a cierre ( MAKE ) debido al rebote del contacto .
El arco eléctrico se produce entre los puntos de contacto (electrodos) tanto durante la transición de cerrado a abierto ( BREAK ) como de abierto a cerrado (make) cuando la distancia de contacto es pequeña y el voltaje es lo suficientemente alto. El calentamiento debido a la formación de arcos y a la alta densidad de corriente puede derretir la superficie de contacto temporalmente. Si parte del material fundido se solidifica mientras los contactos están cerrados, el contacto puede quedar cerrado debido a una microsoldadura, similar a la soldadura por puntos . [2]
El arco provocado durante el contacto BREAK ( BREAK arc) es similar a la soldadura por arco , ya que el arco BREAK suele ser más enérgico y más destructivo. [6] El arco puede provocar transferencia de material entre contactos. [7] El arco también puede estar lo suficientemente caliente como para evaporar el metal de la superficie de contacto.
Las altas temperaturas también pueden hacer que los metales en contacto se oxiden y corroan más rápidamente.
Los contactos llegan al final de su vida útil por una de dos razones. O los contactos no se ROMPEN porque están atascados (soldados) cerrados, o los contactos no se cierran (alta resistencia) debido a la corrosión del contacto o porque se pierde material excesivo de uno o ambos contactos. Estas condiciones son el resultado de la transferencia acumulativa de material durante las sucesivas operaciones de conmutación y de la pérdida de material debido a la evaporación y las salpicaduras. [8]
Existen mecanismos adicionales para fallas cerradas atascadas, como el bloqueo mecánico de superficies de contacto rugosas debido al desgaste de los contactos.
La degradación de los contactos se puede limitar incluyendo varios métodos de protección de contactos.
Por debajo de 2 amperios, se han empleado una variedad de componentes electrónicos de supresión de transitorios con éxito variable como supresores de arco, que incluyen: condensadores , amortiguadores , diodos , diodos Zener , supresores de voltaje transitorio (TVS) , resistencias , varistores o limitadores de corriente de entrada ( PTC) . y resistencias NTC ). [9] Sin embargo, este es el método menos eficaz, ya que no influyen significativamente en la creación ni suprimen el arco entre los contactos de interruptores, relés y contactores electromecánicos. [10] [11] [12]
Históricamente, los dos enfoques más comunes para la protección de contactos (por encima de 2 amperios) han sido hacer los contactos más grandes, es decir, un contactor [13] y/o hacer los contactos con metales o aleaciones metálicas más duraderas, como el tungsteno. [8]
Los métodos más eficaces son emplear circuitos de supresión de arco , incluidos supresores de arco de contacto de potencia electrónicos, relés de estado sólido, relés de potencia híbridos, relés de desplazamiento de mercurio y contactores de potencia híbridos. [14] [15] [16] [17] [18]