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Un disyuntor es un dispositivo de seguridad eléctrica diseñado para proteger un circuito eléctrico de daños causados por sobrecorriente . Su función básica es interrumpir el flujo de corriente para proteger los equipos y prevenir el riesgo de incendio . A diferencia de un fusible , que funciona una vez y luego debe reemplazarse, un disyuntor se puede restablecer (ya sea manual o automáticamente) para reanudar el funcionamiento normal.
Los disyuntores se fabrican en diferentes tamaños, desde pequeños dispositivos que protegen circuitos de baja corriente o electrodomésticos individuales, hasta grandes aparamentas diseñadas para proteger circuitos de alto voltaje que alimentan a una ciudad entera. La función genérica de un disyuntor o fusible , como medio automático para cortar la energía de un sistema defectuoso, a menudo se abrevia como OCPD (Dispositivo de protección contra sobrecorriente).
Thomas Edison describió una forma temprana de disyuntor en una solicitud de patente de 1879, aunque su sistema de distribución de energía comercial utilizaba fusibles . [1] Su propósito era proteger el cableado del circuito de iluminación de cortocircuitos y sobrecargas accidentales. Brown, Boveri & Cie patentó un disyuntor en miniatura moderno similar a los que se utilizan actualmente en 1924. Hugo Stotz, un ingeniero que había vendido su empresa a la BBC , fue acreditado como inventor en DRP ( Deutsches Reichspatent ) 458392. [ 2] El invento de Stotz fue el precursor del moderno disyuntor termomagnético comúnmente utilizado en los centros de carga domésticos hasta el día de hoy.
La interconexión de múltiples fuentes de generadores a una red eléctrica requirió el desarrollo de disyuntores con voltajes nominales crecientes y una mayor capacidad para interrumpir de manera segura las crecientes corrientes de cortocircuito producidas por las redes. Los interruptores manuales simples con rotura de aire producían arcos peligrosos al interrumpir altos voltajes; estos dieron paso a contactos encerrados en aceite y a diversas formas que utilizaban el flujo dirigido de aire presurizado, o aceite presurizado, para enfriar e interrumpir el arco. En 1935, los disyuntores especialmente construidos utilizados en el proyecto de la presa de Boulder utilizaban ocho cortes en serie y flujo de aceite presurizado para interrumpir fallas de hasta 2500 MVA, en tres ciclos de la frecuencia de alimentación de CA. [3]
Todos los sistemas de disyuntores tienen características comunes en su funcionamiento, pero los detalles varían sustancialmente según la clase de voltaje, la corriente nominal y el tipo de disyuntor.
El disyuntor primero debe detectar una condición de falla. En el caso de interruptores automáticos de baja tensión y de red pequeña , esto suele realizarse dentro del propio dispositivo. Normalmente, se emplean los efectos magnéticos o de calentamiento de la corriente eléctrica. Los disyuntores para grandes corrientes o altos voltajes generalmente están dispuestos con dispositivos piloto de relé de protección para detectar una condición de falla y operar el mecanismo de apertura. Por lo general, requieren una fuente de energía separada, como una batería , aunque algunos disyuntores de alto voltaje son autónomos con transformadores de corriente , relés de protección y una fuente de energía de control interno.
Una vez que se detecta una falla, los contactos del disyuntor deben abrirse para interrumpir el circuito; Esto se hace comúnmente utilizando energía almacenada mecánicamente contenida dentro del interruptor, como un resorte o aire comprimido para separar los contactos. Los disyuntores también pueden utilizar la corriente más alta causada por la falla para separar los contactos, como la expansión térmica o un campo magnético. Los disyuntores pequeños suelen tener una palanca de control manual para apagar la carga o restablecer un disyuntor disparado, mientras que las unidades más grandes usan solenoides para activar el mecanismo y motores eléctricos para restaurar la energía a los resortes.
Los contactos del disyuntor deben transportar la corriente de carga sin calentamiento excesivo, y también deben soportar el calor del arco producido al interrumpir (abrir) el circuito. Los contactos están hechos de cobre o aleaciones de cobre, aleaciones de plata y otros materiales altamente conductores. La vida útil de los contactos está limitada por la erosión del material de los contactos debido a la formación de arcos al interrumpir la corriente. Los disyuntores en miniatura y de caja moldeada generalmente se descartan cuando los contactos se han desgastado, pero los disyuntores de potencia y los disyuntores de alto voltaje tienen contactos reemplazables.
Cuando se interrumpe una corriente o voltaje alto, se genera un arco . La longitud del arco es generalmente proporcional al voltaje, mientras que la intensidad (o calor) es proporcional a la corriente. Este arco debe contenerse, enfriarse y extinguirse de forma controlada, para que el espacio entre los contactos pueda volver a soportar la tensión en el circuito. Diferentes disyuntores utilizan vacío , aire, gas aislante o aceite como medio en el que se forma el arco. Se utilizan diferentes técnicas para extinguir el arco, que incluyen:
Finalmente, una vez que se haya solucionado la condición de falla, los contactos deben cerrarse nuevamente para restaurar la energía al circuito interrumpido.
Los disyuntores en miniatura de bajo voltaje ( MCB ) utilizan solo aire para extinguir el arco. Estos disyuntores contienen los llamados conductos de arco, una pila de placas metálicas paralelas mutuamente aisladas que dividen y enfrían el arco. Al dividir el arco en arcos más pequeños, el arco se enfría mientras se aumenta el voltaje del arco y sirve como una impedancia adicional que limita la corriente a través del disyuntor. Las partes portadoras de corriente cerca de los contactos proporcionan una fácil desviación del arco hacia las rampas de arco mediante la fuerza magnética de una trayectoria de corriente, aunque las bobinas de explosión magnéticas o los imanes permanentes también podrían desviar el arco hacia la rampa de arco (utilizado en disyuntores para altas temperaturas). calificaciones). El número de placas en la cámara de arco depende de la clasificación de cortocircuito y del voltaje nominal del disyuntor.
En clasificaciones más grandes, los disyuntores de aceite dependen de la vaporización de parte del aceite para lanzar un chorro de aceite a través del arco. [4]
Los disyuntores de gas (generalmente hexafluoruro de azufre ) a veces estiran el arco usando un campo magnético y luego dependen de la rigidez dieléctrica del hexafluoruro de azufre (SF 6 ) para apagar el arco estirado.
Los disyuntores de vacío tienen una formación de arco mínima (ya que no hay nada que ionizar aparte del material de contacto). El arco se apaga cuando se estira una cantidad muy pequeña (menos de 2 a 3 mm (0,08 a 0,1 pulgadas)). Los disyuntores de vacío se utilizan con frecuencia en los equipos de conmutación modernos de media tensión hasta 38.000 voltios.
Los disyuntores de aire pueden usar aire comprimido para apagar el arco o, alternativamente, los contactos se mueven rápidamente hacia una pequeña cámara sellada, y el escape del aire desplazado apaga el arco.
Los disyuntores suelen ser capaces de interrumpir toda la corriente muy rápidamente: normalmente el arco se extingue entre 30 ms y 150 ms después de que se haya disparado el mecanismo, dependiendo de la antigüedad y la construcción del dispositivo. El valor máximo de corriente y la energía transmitida determinan la calidad de los disyuntores.
Los disyuntores se clasifican tanto por la corriente normal que se espera que transporten como por la corriente máxima de cortocircuito que pueden interrumpir de forma segura. Esta última cifra es la capacidad de interrupción en amperios ( AIC ) del interruptor.
En condiciones de cortocircuito, la corriente de cortocircuito máxima calculada o medida puede ser muchas veces la corriente nominal normal del circuito. Cuando los contactos eléctricos se abren para interrumpir una corriente grande, existe una tendencia a que se forme un arco entre los contactos abiertos, lo que permitiría que la corriente continúe. Esta condición puede crear gases ionizados conductores y metal fundido o vaporizado, lo que puede provocar la continuación del arco o la creación de cortocircuitos adicionales, lo que podría provocar la explosión del disyuntor y del equipo en el que está instalado. Por lo tanto, Los disyuntores deben incorporar varias funciones para dividir y extinguir el arco.
La corriente máxima de cortocircuito que un interruptor puede interrumpir se determina mediante pruebas. La aplicación de un disyuntor en un circuito con una posible corriente de cortocircuito mayor que la capacidad nominal de interrupción del disyuntor puede provocar que el disyuntor no interrumpa una falla de manera segura. En el peor de los casos, el disyuntor puede interrumpir con éxito la falla, solo para explotar cuando se reinicia.
Los disyuntores de paneles domésticos típicos están clasificados para interrumpir6 kA (6000 A ) corriente de cortocircuito.
Los disyuntores en miniatura utilizados para proteger circuitos de control o pequeños electrodomésticos pueden no tener suficiente capacidad de interrupción para usarse en un panel; Estos disyuntores se denominan "protectores de circuito suplementarios" para distinguirlos de los disyuntores de tipo distribución.
Los disyuntores se fabrican en tamaños estándar, utilizando un sistema de números preferidos para cubrir una variedad de clasificaciones. Los disyuntores en miniatura tienen un ajuste de disparo fijo; cambiar el valor de la corriente de funcionamiento requiere cambiar todo el disyuntor. Los disyuntores más grandes pueden tener configuraciones de disparo ajustables, lo que permite aplicar elementos estandarizados pero con una configuración destinada a mejorar la protección. Por ejemplo, un disyuntor con un "tamaño de bastidor" de 400 amperios podría tener su detección de sobrecorriente configurada para funcionar a sólo 300 amperios, para proteger un cable de alimentación.
Para los disyuntores de distribución de bajo voltaje, las normas internacionales IEC 60898-1 definen la corriente nominal como la corriente máxima que el disyuntor está diseñado para transportar continuamente. Los valores preferidos comúnmente disponibles para la corriente nominal son 1 A, 2 A, 4 A, 6 A, 10 A, 13 A, 16 A, 20 A, 25 A, 32 A, 40 A, 50 A, 63 A, 80 A, 100 A, [5] y 125 A. El disyuntor está etiquetado con la corriente nominal en amperios precedida por una letra, que indica la corriente de disparo instantánea que hace que el disyuntor se dispare sin un retraso de tiempo intencional expresado en múltiplos del Corriente nominal:
Los disyuntores también se clasifican según la corriente de falla máxima que pueden interrumpir; esto permite el uso de dispositivos más económicos en sistemas que es poco probable que desarrollen la alta corriente de cortocircuito que se encuentra, por ejemplo, en un sistema de distribución de un gran edificio comercial.
En los Estados Unidos, Underwriters Laboratories (UL) certifica las clasificaciones de equipos, denominadas Clasificaciones de Serie (o "clasificaciones de equipos integrados") para equipos de disyuntores utilizados en edificios. Los disyuntores de potencia y los disyuntores de media y alta tensión utilizados para sistemas de energía eléctrica o industriales están diseñados y probados según los estándares ANSI o IEEE en la serie C37. Por ejemplo, la norma C37.16 enumera las clasificaciones de corriente de tamaño de bastidor preferidas para disyuntores de potencia en el rango de 600 a 5000 amperios. Los ajustes de corriente de disparo y las características tiempo-corriente de estos interruptores generalmente son ajustables.
Para los disyuntores de media y alta tensión utilizados en aparamentas o subestaciones y estaciones generadoras, generalmente se fabrican relativamente pocos tamaños de bastidor estándar. Estos disyuntores generalmente están controlados por sistemas de relés de protección separados , que ofrecen configuraciones de tiempo y corriente de disparo ajustables, además de permitir esquemas de protección más complejos.
Se pueden realizar muchas clasificaciones de disyuntores en función de sus características, como clase de voltaje, tipo de construcción, tipo de interrupción y características estructurales.
Los tipos de bajo voltaje (menos de 1000 V CA ) son comunes en aplicaciones domésticas, comerciales e industriales e incluyen:
Las características de los disyuntores de baja tensión están dadas por normas internacionales como IEC 947. Estos disyuntores a menudo se instalan en gabinetes extraíbles que permiten su extracción e intercambio sin desmontar el cuadro.
Los disyuntores de potencia y de caja moldeada de gran tamaño y de bajo voltaje pueden tener operadores de motor eléctrico para que puedan abrirse y cerrarse bajo control remoto. Estos pueden formar parte de un sistema de interruptor de transferencia automática para energía de reserva.
Los disyuntores de bajo voltaje también se fabrican para aplicaciones de corriente continua (CC), como CC para líneas de metro. La corriente continua requiere disyuntores especiales porque el arco es continuo; a diferencia de un arco de CA, que tiende a apagarse en cada medio ciclo, el disyuntor de corriente directa tiene bobinas de explosión que generan un campo magnético que estira rápidamente el arco. Los disyuntores pequeños se instalan directamente en el equipo o se disponen en un panel de disyuntores .
El disyuntor miniatura termomagnético montado en carril DIN es el estilo más común en las unidades de consumo domésticas modernas y en los tableros de distribución eléctrica comercial de toda Europa . El diseño incluye los siguientes componentes:
Los disyuntores de estado sólido , también conocidos como disyuntores digitales , son una innovación tecnológica que promete avanzar en la tecnología de disyuntores desde el nivel mecánico hasta el eléctrico. Esto promete varias ventajas, como cortar el circuito en fracciones de microsegundos, una mejor monitorización de las cargas del circuito y una vida útil más larga. [6] Los disyuntores de estado sólido (SSCB) se han desarrollado para alimentación de CC de media tensión y pueden utilizar transistores de carburo de silicio o tiristores conmutados de puerta integrada (IGCT) para la conmutación. [7] [8] [9]
Los disyuntores magnéticos utilizan un solenoide ( electroimán ) cuya fuerza de tracción aumenta con la corriente . Ciertos diseños utilizan fuerzas electromagnéticas además de las del solenoide. Los contactos del disyuntor se mantienen cerrados mediante un pestillo. A medida que la corriente en el solenoide aumenta más allá de la clasificación del disyuntor, el tirón del solenoide libera el pestillo, lo que permite que los contactos se abran mediante la acción del resorte. Son los disyuntores más utilizados en los Estados Unidos.
Los disyuntores termomagnéticos , que son del tipo que se encuentran en la mayoría de los tableros de distribución en Europa y países con disposiciones de cableado similares, incorporan ambas técnicas: el electroimán responde instantáneamente a grandes sobretensiones de corriente (cortocircuitos) y la tira bimetálica responde a situaciones menos extremas pero condiciones de sobrecorriente a largo plazo. La parte térmica del disyuntor proporciona una función de respuesta de tiempo, que dispara el disyuntor antes en caso de sobrecorrientes mayores, pero permite que las sobrecargas más pequeñas persistan durante más tiempo. Esto permite picos de corriente cortos, como los que se producen cuando se enciende un motor u otra carga no resistiva. En el caso de sobrecorrientes muy elevadas durante un cortocircuito, el elemento magnético dispara el disyuntor sin ningún retraso adicional intencionado. [10]
Un disyuntor magnético-hidráulico utiliza una bobina de solenoide para proporcionar fuerza operativa para abrir los contactos. Los martillos magnético-hidráulicos incorporan una función de retardo de tiempo hidráulico que utiliza un fluido viscoso. Un resorte restringe el núcleo hasta que la corriente excede la clasificación del interruptor. Durante una sobrecarga, la velocidad del movimiento del solenoide está restringida por el fluido. El retardo permite breves sobretensiones de corriente más allá de la corriente normal de funcionamiento para arrancar motores, energizar equipos, etc. Las corrientes de cortocircuito proporcionan suficiente fuerza del solenoide para liberar el pestillo independientemente de la posición del núcleo, evitando así la función de retardo. La temperatura ambiente afecta el retardo de tiempo pero no afecta la clasificación actual de un disyuntor magnético. [11]
Los disyuntores de potencia de gran tamaño, aplicados en circuitos de más de 1000 voltios, podrán incorporar elementos hidráulicos en el mecanismo de accionamiento de los contactos. La energía hidráulica puede ser suministrada por una bomba o almacenada en acumuladores. Estos forman un tipo distinto de los disyuntores llenos de aceite donde el aceite es el medio de extinción del arco. [12]
Para proporcionar interrupción simultánea en múltiples circuitos debido a una falla en cualquiera de ellos, los disyuntores pueden fabricarse como un conjunto agrupado. Este es un requisito muy común para sistemas trifásicos, donde la interrupción puede ser de 3 o 4 polos (neutro sólido o conmutado). Algunos fabricantes fabrican kits de agrupación para permitir interconectar grupos de disyuntores monofásicos según sea necesario.
En los EE. UU., donde los suministros de fase dividida son comunes, en circuitos derivados con más de un conductor vivo, cada conductor vivo debe estar protegido por un polo disyuntor. Para garantizar que todos los conductores activos se interrumpan cuando se dispare algún poste, se debe utilizar un disyuntor de "disparo común". Estos pueden contener dos o tres mecanismos de disparo dentro de una caja, o para interruptores pequeños, pueden unir externamente los postes a través de sus manijas de operación. Los disyuntores comunes de dos polos son comunes en sistemas de 120/240 voltios donde las cargas de 240 voltios (incluidos los electrodomésticos principales u otros tableros de distribución) abarcan los dos cables activos. Los disyuntores tripolares comunes se utilizan normalmente para suministrar energía eléctrica trifásica a motores grandes o a otros cuadros de distribución.
Nunca se deben usar disyuntores separados para vivo y neutro, porque si el neutro se desconecta mientras el conductor vivo permanece conectado, surge una condición muy peligrosa: el circuito parece desenergizado (los aparatos no funcionan), pero los cables permanecen vivos y Es posible que algunos dispositivos de corriente residual (RCD) no se disparen si alguien toca el cable con corriente (porque algunos RCD necesitan energía para dispararse). Esta es la razón por la que sólo se deben utilizar disyuntores comunes cuando se necesita la conmutación del cable neutro.
Una unidad de disparo en derivación parece similar a un interruptor normal y los actuadores móviles están "agrupados" a un mecanismo de interruptor normal para operar juntos de manera similar, pero el disparo en derivación es un solenoide destinado a ser operado por una señal externa de voltaje constante. en lugar de una corriente, comúnmente la tensión de red local o CC. A menudo se utilizan para cortar la energía cuando ocurre un evento de alto riesgo, como una alarma de incendio o inundación, u otra condición eléctrica, como la detección de sobrevoltaje. Los disparos en derivación pueden ser un accesorio instalado por el usuario en un disyuntor estándar o suministrarse como parte integral del disyuntor.
Los disyuntores de media tensión con clasificación entre 1 y 72 kV se pueden ensamblar en alineaciones de celdas con gabinete metálico para uso en interiores, o pueden ser componentes individuales instalados al aire libre en una subestación . Los disyuntores de corte de aire reemplazaron a las unidades llenas de aceite para aplicaciones en interiores, pero ahora están siendo reemplazados por disyuntores de vacío (hasta aproximadamente 40,5 kV). Al igual que los disyuntores de alto voltaje que se describen a continuación, estos también funcionan mediante relés protectores de detección de corriente operados a través de transformadores de corriente . Las características de los disyuntores de media tensión están determinadas por normas internacionales como IEC 62271. Los disyuntores de media tensión casi siempre utilizan sensores de corriente y relés de protección separados , en lugar de depender de sensores de sobrecorriente magnéticos o térmicos incorporados.
Los disyuntores de media tensión se pueden clasificar según el medio utilizado para extinguir el arco:
Los disyuntores de media tensión se pueden conectar al circuito mediante conexiones atornilladas a barras colectoras o cables, especialmente en patios de distribución al aire libre. Los disyuntores de media tensión en las líneas de aparamenta a menudo se construyen con una construcción extraíble, lo que permite retirar el disyuntor sin alterar las conexiones del circuito de alimentación, utilizando un mecanismo operado por motor o de manivela para separar el disyuntor de su gabinete.
Las redes de transmisión de energía eléctrica están protegidas y controladas por disyuntores de alta tensión. La definición de alto voltaje varía, pero en trabajos de transmisión de energía generalmente se piensa que es 72,5 kV o más, según una definición reciente de la Comisión Electrotécnica Internacional (IEC). Los disyuntores de alto voltaje casi siempre funcionan con solenoides , con relés protectores de detección de corriente operados a través de transformadores de corriente . En las subestaciones , el esquema de relés de protección puede ser complejo y protege los equipos y las barras de varios tipos de sobrecarga o falla a tierra.
Los disyuntores de alto voltaje se clasifican en términos generales según el medio utilizado para extinguir el arco:
Debido a preocupaciones ambientales y de costos por los derrames de petróleo aislante, la mayoría de los interruptores nuevos utilizan gas SF 6 para apagar el arco.
Los disyuntores se pueden clasificar como tanque vivo , donde el gabinete que contiene el mecanismo de corte está en potencial de línea, o tanque muerto con el gabinete en potencial de tierra. Los disyuntores de CA de alto voltaje están disponibles habitualmente con clasificaciones de hasta 765 kV. Siemens lanzó interruptores de 1.200 kV en noviembre de 2011, [14] seguido de ABB en abril del año siguiente. [15]
Los disyuntores de alto voltaje utilizados en los sistemas de transmisión pueden disponerse para permitir que se dispare un solo polo de una línea trifásica, en lugar de disparar los tres polos; para algunas clases de fallas, esto mejora la estabilidad y disponibilidad del sistema.
Los disyuntores de corriente continua de alto voltaje siguen siendo un campo de investigación en 2015. Dichos disyuntores serían útiles para interconectar sistemas de transmisión HVDC. [dieciséis]
Un disyuntor de hexafluoruro de azufre utiliza contactos rodeados por gas de hexafluoruro de azufre para apagar el arco. Se utilizan con mayor frecuencia para voltajes de nivel de transmisión y pueden incorporarse en aparamentas compactas aisladas en gas. En climas fríos, se utiliza calefacción suplementaria o diferentes mezclas de gases para los disyuntores de alta tensión, debido a la licuefacción del gas SF 6 . En algunas redes eléctricas del norte, se instalan mezclas de gases de N 2 y SF 6 , o CF 4 y SF 6 en HVCB tipo soplador para apagar el arco sin licuefacción del gas. https://ieeexplore.ieee.org/abstract/document/4080767. Las temperaturas mínimas nominales de estos modelos son tan bajas como -50 °C para algunas subestaciones del norte.
El disyuntor seccionador (DCB) se introdujo en 2000 [17] y es un disyuntor de alta tensión inspirado en el disyuntor SF 6 . Presenta una solución técnica donde la función de desconexión está integrada en la cámara de ruptura, eliminando la necesidad de seccionadores separados. Esto aumenta la disponibilidad , ya que los contactos principales del seccionador al aire libre necesitan mantenimiento cada 2 a 6 años, mientras que los interruptores automáticos modernos tienen intervalos de mantenimiento de 15 años. La implementación de una solución DCB también reduce los requisitos de espacio dentro de la subestación y aumenta la confiabilidad , debido a la falta de seccionadores separados. [18] [19]
Para reducir aún más el espacio requerido de la subestación, así como simplificar el diseño y la ingeniería de la subestación, se puede integrar un sensor de corriente de fibra óptica (FOCS) con el DCB. Un DCB de 420 kV con FOCS integrado puede reducir el espacio ocupado por una subestación en más del 50 % en comparación con una solución convencional de disyuntores de tanque activos con seccionadores y transformadores de corriente , debido a la reducción de material y a la ausencia de medio de aislamiento adicional. [20]
En 2012, ABB presentó un disyuntor de alto voltaje de 75 kV que utiliza dióxido de carbono como medio para extinguir el arco. El disyuntor de dióxido de carbono funciona según los mismos principios que un disyuntor SF 6 y también puede fabricarse como disyuntor seccionador. Al pasar de SF 6 a CO 2 , es posible reducir las emisiones de CO 2 en 10 toneladas durante el ciclo de vida del producto. [21]
Varias empresas han considerado agregar monitoreo de electrodomésticos a través de dispositivos electrónicos o usar un disyuntor digital para monitorear los disyuntores de forma remota. Las empresas de servicios públicos de Estados Unidos han estado revisando el uso de la tecnología para encender y apagar electrodomésticos, así como la posibilidad de desactivar la carga de automóviles eléctricos durante períodos de alta carga de la red eléctrica. Estos dispositivos que se están investigando y probando tendrían capacidad inalámbrica para monitorear el uso eléctrico en una casa a través de una aplicación de teléfono inteligente u otros medios. [22]
Los siguientes tipos se describen en artículos separados.
