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 una falla del interruptor.
Un “contacto” es un par de electrodos (normalmente, uno móvil y otro fijo) diseñado para controlar la electricidad. Los interruptores, relés y contactores electromecánicos “activan la corriente” cuando el electrodo móvil hace contacto con el electrodo fijo para transportar la corriente. Por el contrario, “desactivan la corriente” cuando el electrodo móvil rompe el contacto y el plasma de arco resultante deja de arder, ya que el espacio dieléctrico se ensancha lo suficiente como para impedir el flujo de corriente. Los relés y contactores de potencia tienen dos clasificaciones principales de expectativa de vida: la “vida mecánica” se basa en el funcionamiento sin corriente o por debajo de la corriente de humectación (es decir, “seco”) y la “vida eléctrica” se basa en el funcionamiento 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 se produce naturalmente entre los electrodos durante el funcionamiento húmedo normal. El arco de los contactos es tan destructivo que la vida eléctrica de los relés y contactores de potencia suele ser una fracción de su respectiva vida mecánica. [1] [2]
Cada vez que se abren o cierran los contactos de un interruptor, relé o contactor electromecánico , se produce una cierta cantidad de desgaste de los contactos. Si el contacto funciona sin electricidad (seco), el impacto de los electrodos de contacto se deforma ligeramente por el forjado en frío resultante. [1] Cuando el contacto funciona bajo tensión (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, solo una pequeña parte de los contactos están en contacto íntimo debido a las asperezas y películas de baja conductividad. Debido a la constricción de la corriente a un área muy pequeña, la densidad de corriente con frecuencia se vuelve 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 finalmente se rompe de manera asimétrica, 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 entre los contactos es pequeña y el voltaje es lo suficientemente alto. El calentamiento debido al arco eléctrico y la alta densidad de corriente puede derretir la superficie de contacto temporalmente. Si parte del material derretido se solidifica mientras los contactos están cerrados, el contacto puede quedarse cerrado debido a una microsoldadura, similar a la soldadura por puntos . [2]
El arco provocado durante la ROTURA del contacto ( arco BREAK ) es similar a la soldadura por arco , ya que el arco BREAK suele ser más enérgico y más destructivo. [6] El arco puede provocar la transferencia de material entre contactos. [7] El arco también puede ser lo suficientemente caliente como para evaporar el metal de la superficie de contacto.
Las altas temperaturas también pueden provocar 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 bien no se rompen porque están pegados (soldados) cerrados, o bien no se cierran (alta resistencia) debido a la corrosión de los contactos o porque se pierde material excesivo de uno o ambos contactos. Estas condiciones son el resultado de la transferencia acumulativa de material durante operaciones de conmutación sucesivas y de la pérdida de material debido a la evaporación y las salpicaduras. [8]
Existen mecanismos adicionales para fallas por atascamiento cerrado, como el enclavamiento mecánico de superficies de contacto rugosas debido al desgaste del contacto.
La degradación de los contactos se puede limitar incluyendo varios métodos de protección de contactos.
Por debajo de los 2 amperios, se han empleado una variedad de componentes electrónicos de supresión transitoria con éxito variable como supresores de arco, incluidos: condensadores , amortiguadores , diodos , diodos Zener , supresores de voltaje transitorio (TVS) , resistencias , varistores o limitadores de corriente de entrada ( resistencias PTC y NTC ). [9] Sin embargo, este es el método menos efectivo ya que estos no influyen significativamente en la creación ni suprimen el arco entre los contactos de interruptores de potencia electromecánicos, relés y contactores. [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 más duraderos o aleaciones de metales 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]