INTRODUCCIÓN Un interruptor es un switch swi tch eléctrico operado automática-mente diseñado para proteger un circuito eléctrico del daño ocasionado por una sobrecarga o un cortocircuito. A diferencia diferencia del fusible, el cual opera una vez y luego debe ser reemplazado, un interruptor se puede resetear ya sea manual o automáticamente! para reanudar la operaci"n normal. #os interruptores se fabrican de diferentes tamaños, desde los pe$ueños dispositivos $ue protegen los artefactos eléctricos en un hogar, hogar, hasta los tableros de interruptores $ue están diseñados para proteger los circuitos de alta tensi"n $ue alimentan a toda una ciudad. %l interruptor de alta tensi"n tiene tres componentes principales&
Cámara de interrupción: donde ocurre la conducci"n y la interrupci"n de la corriente en el circuito de potencia. 'eneralmente es un volumen cerrado $ue contiene los contactos de apertura y cierre ma(e-brea(! y un medio de interrupci"n aire comprimido, aceite, )*+, vaco, etc.! usado para el aislamiento y para apagar el arco.
Mecanismo de Operación: donde se inicia la energa re$uerida para cerrar o abrir los contactos y para apagar el arco.
Control: donde se monitorea el estado y las "rdenes $ue se generan para operar al interruptor. CONTACTOS CONTACTOS E!CTRICOS EN INTERRU"TORES omo ya se mencion" antes, la corriente pasa a través del material conductor en la cámara de interrupci"n *ig. !. )e unen varias partes para formar el material conductor. #as diferentes uniones forman los contactos eléctricos. %l contacto eléctrico se obtiene colocando dos ob/etos conductores en contacto fsico. %sto se puede llevar a cabo de varias formas. formas. Aun$ue hay una una gran variedad de diseños de contactos contactos en las cámaras de interrupci"n, éstos se pueden agrupan en cuatro categoras principales& 0. ontactos de abrir y cerrar 1a(e-brea(! - los $ue pueden abrir o cerrar ba/o carga2 . ontactos deslizantes sliding! - los $ue mantienen el contacto durante el movimiento relativo 3. ontactos fi/os - los $ue se pueden enganchar permanentemente por años y nunca ser abiertos 4. ontactos desmontables - los $ue pueden abrir o cerrar sin carga. Usados generalmente en tableros de interruptores blindados de media tensi"n
#a
*igura 3 es un es$uema simb"lico de una
ar$uitectura tpica de contacto y claramente muestra el flu/o de corriente a través de tres de los tipos principales de contactos durante la secuencia de eventos de una operaci"n de apertura. %n los tres tipos, se realiza el contacto t ocando las superficies de contacto de cada componente.
CONTACTOS DE A"ERTURA # CIERRE %l tipo de contacto de apertura y cierre ma(e-brea(! se puede subdividir de acuerdo a su nivel de potencia, empezando de mayor a menor& #os contactos de interruptores de alta tensi"n con elevada corriente $ue desconectan las grandes cargas eléctricas y producen arcos, están contenidos en cámaras de arco especiales. 5ueden estar a la presi"n normal o en un soplado de aire, en )ulfuro 6e7afluoro )*+!, en aceite o en otro medio de e7tinci"n del arco, incluyendo el vaco. 8ncluye un contacto m"vil y uno estacionario. 'eneralmente uno de ellos es un anillo de dedos de contactos de cobre armado con resortes del tipo de inserci"n como en la *igura 4 o de tipo tope!, o la otra es de una varilla s"lida de cobre. #os contactos pueden ser revestidos con un material resistente al arco para resistir la erosi"n de un arco de elevada potencia, y las superficies enchapar por e/emplo con plata! para me/orar la conductividad. #as propiedades mecánicas del cobre combinado con su e7celente conductividad eléctrica y su buena resistencia al arco en aceite lo vuelven el metal preferido en esta aplicaci"n. %n los interruptores en vaco, los contactos también son usualmente de cobre, mezclado con tungsteno y modelado especialmente para asegurar una adecuada distribuci"n del campo eléctrico y el movimiento del inicio del arco.
#os interruptores de aire más pe$ueños media tensi"n!, usan el cobre en todas las partes conductoras internas, pero se aplican a los contactos una aleaci"n de plata para resistir la soldadura. )iendo estos interruptores, dispositivos de protecci"n, raramente abren o cierran.
CONTACTOS DESI$ANTES figura 9! %stos pueden ser de diferentes tipos. #os contactos deslizantes de alta velocidad y elevada corriente, se encuentran generalmente en las cámaras de interrupci"n de potencia. %stos contactos deben tener una alta resistencia al desgaste mecánico, dado $ue su velocidad puede alcanzar hasta 0: metros por segundos o más.
CONTACTOS %I&OS %stos contactos incluyen un amplio rango de contactos empernados y engarzados. Una uni"n empernada evita la reducci"n de la secci"n cruzadas ocasionadas por el taladrado para insertar los pernos y brinda una distribuci"n más uniforme de la fuerza de contacto, haciendo al contacto más eficiente y por ello funciona a menor temperatura. )e usa el empernado por$ue es barato y es conveniente. #as uniones engarzadas emplean la mayor fuerza para el cierre del contacto, lo $ue ocasiona $ue el metal fluya y $ue se realice una cone7i"n permanente. #a naturaleza libre de problemas de estas uniones y la simplicidad y rapidez de la operaci"n de engarzado lo convierte en un tipo de uni"n muy atractivo para las cone7iones permanentes. #os contactos empernados o los engarzados se usan en las cámaras de interrupci"n para asegurar y para mantener la integridad de los componentes eléctricos.
CONTACTOS DESMONTA'ES )e encuentran en los interruptores blindados de media tensi"n. Ayudan a tomar al interruptor fuera de la red deslizando fácilmente de las barras de distribuci"n para el mantenimiento. %sto debe realizarse sin carga.
%stos contactos, como los contactos de apertura y de cierre, pueden transportar elevadas corrientes a elevados volta/es por e/emplo, los aisladores de alta tensi"n o los contactos fusibles de media o alta tensi"n!. ;eben transportar confiable-mente la corriente por perodos más largos, sin un sobrecalentamiento o una pérdida del contacto, pero no realizan el cierre o la apertura de la corriente.
RESISTENCIA DE CONTACTO omo ya se di/o, el contacto ocurre cuando dos superficies se tocan. 5ara la corriente eléctrica, si es un material conductor, es un camino por el cual fluirá. #a observaci"n a nivel microsc"pico muestra $ue la superficie de contacto es realmente áspera aun$ue parezca suave al o/o sin entrenamiento. ;e hecho, como se muestra en el microscopio, el verdadero contacto entre dos superficie ocurre a través de una serie de pe$ueños dispositivos llamados micro contactos *igura =!, distribuidos aleatoriamente dentro de los lmites del área visible de contacto. %s la suma de las áreas de todos los micro contactos $ue constituyen el área eficaz de contacto. ;ado $ue la resistencia del contacto eléctrico es inversamente proporcional al área de contacto, cuanto menor sea el área eficaz, mayor será la resistencia *igura >!.
E%ECTO DE A RESISTENCIA DE CONTACTO uando una corriente I pasa a través de un área absorbida por A es&
A $ue tiene una resistencia R , la energa E
E ? R I( t donde t es la duraci"n del tiempo de I. )abemos $ue la temperatura
E ? @ T
T de A es directamente relacionada a E por la siguiente ecuaci"n&
@ es una funci"n de la velocidad de disipaci"n de calor 5ara una corriente constante Io, si R aumenta, entonces E aumentará, lo $ue nos llevará a un incremento de la temperatura del contacto. )i T contina en aumento, el material del contacto puede alcanzar su punto de fundici"n, llevando a su destrucci"n *igura B!.
EEMENTOS )UE A%ECTAN A RESISTENCIA DE CONTACTOS O*IDACIÓN Una delgada capa de "7ido aislado $ue cubre el área de un s"lo micro contacto podra tener poco efecto en la conductividad de los contactos en total. 5ero apenas la capa de "7ido se e7tiende hasta un nmero significativo de micro contactos, el área relacionada con la corriente se reducirá, incrementando de esta manera su resistencia. Un aumento en la resistencia aumentará la temperatura de contacto, llevando a su destrucci"n. Codos los ambientes $ue contengan gases capaces de reaccionar con el material del contacto, tales como D, )D, 6D, 6), etc., serán favorables para producir capas de "7ido aun$ue se cierre el contacto. on el tiempo, el gas logrará penetrar y reaccionar con la superficie de contacto para degradar sus caractersticas y incrementará su resistencia. E8##8A1)D< estudi" este fen"meno. #a *igura 0: muestra el aumento del valor de la resistencia con el tiempo. omo se puede ver, el cambio de la resistencia no es significativo hasta un cierto punto en el tiempo donde la degradaci"n aumenta rápidamente. #%1%#)D< obtuvo resultados similares para los contactos de cobre en aceite. %stos resultados muestran un comportamiento interesante e indican la urgencia de una intervenci"n en el mantenimiento cuando la resistencia del contacto empieza a incrementarse.
DES+ASTE DE CONTACTOS 1ecánicamente, puede deberse al movimiento y a la fricci"n de los contactos y eléctricamente debido al efecto de arco principalmente el contacto de cierre y apertura!. %l desgaste del contacto afecta directamente la resistencia de contacto y hace $ue aumente dramáticamente si el desgaste está en un estado avanzado *igura 00!.
%ROTAMIENTO Una forma de o7idaci"n acelerado es posible, si las superficies de contacto e7perimentan un movimiento cclico entre ellos. 5or e/emplo, si los contactos no se cierran cada vez en la misma área. %ste fen"meno fue observado hace tiempo pero su magnitud no fue reconocida hasta hace poco. uando se mueve un contacto de su posici"n anterior, una parte está e7puesta al ambiente. #uego se forma una capa de o7idaci"n. uando el contacto regresa a su posici"n, rompe la delgada capa y lo empu/a a un lado. %ste fen"meno se repite varias veces hasta $ue la capa de o7idaci"n tiene un espesor lo suficientemente significativo para incrementar su resistencia. FGAU
%UER$A DE CONTACTO omo es conocido, la resistencia de contacto, R ? , L S!.
R es una funci"n de la resistividad , y del área S del material
) es la suma de todas las áreas de los puntos de contacto. #as áreas de los puntos de contacto son una funci"n de la fuerza aplicada % y de la dureza del material - . es una constante!. )i % disminuye, ) también disminuye y entonces G aumentará.
% puede disminuir debido a los siguientes factores, por e/emplo& 0. %7cesivo desgaste de la superficie de contacto2 . *atiga de los resortes de contactos con el tiempo2 3. Geacci"n $umica del material de resorte con el ambiente2 4. ontacto suelto o desalineado, etc. #os materiales de resorte por lo tanto son elementos importantes a tomarse en cuenta. Usando la misma l"gica, una precauci"n importante a tomar es evitar de/ar $ue el resorte sea un camino de corriente, dado $ue el incremento de su temperatura ocasionará una debilidad de la fuerza * resultante.
TEM"ERATURA 5ara un aumento de la temperatura T de los contactos, el material de los contactos se puede suavizar hasta el punto en $ue se reducirá la fuerza del contacto, lo $ue lleva a un rápido incremento de la resistencia de contacto.
"RUE'AS 6emos visto $ue la o7idaci"n, el desgaste, el frotamiento, la fuerza y la temperatura afectan directamente al valor de la resistencia R en micro ohmios! de los contactos. ;e modo $ue para evaluar fácilmente las condiciones de los contactos del interruptor, se han establecido dos tipos de pruebas, ambos miden la resistencia R estática y dinámicamente y se usan ampliamente.
MEDICIÓN DE A RESISTENCIA DE CONTACTOS #a medici"n de la resistencia de contacto se realiza usualmente usando los principios de la ley de Dhm& / ? R I2
/ es el volta/e a través del contacto2 I es la corriente2 R es la resistencia. )i aplicamos una corriente I y medimos el volta/e directamente dividiendo / por I.
/, la resistencia R se puede obtener
R ? / L I omo se ve en la *igura 04. ;ado $ue la cámara de interrupci"n es un contenedor cerrado, s"lo tenemos acceso a los conductores de entrada y de salida2 la R medida entre estos dos puntos sera la suma de todas las resistencias de contacto halladas en serie contactos fi/os, de cierre y apertura y los deslizantes!.
;e acuerdo a la norma 8% +B4, artculo +.4.0, el valor de la corriente a usar debera ser lo más cercana a la corriente nominal para la $ue fue diseñada la cámara de interrupci"n. )i esto es imposible de lograr, se pueden usar corrientes más pe$ueñas pero no menos a 9: A para eliminar el efecto galvánico $ue podra afectar las lecturas.
)e deben observar precauciones especiales cuando se mide& 0. #os puntos medidos deben estar limpios y libres de o7idaci"n2 . #os puntos de medici"n siempre deben tener los mismos cada vez2 3. Gealizar varias pruebas consecutivas y calcular el promedio. #a unidad usada es micro ohmio M N!. 0 M N ? 0:- + ohms N! 5odemos tener en cuenta $ue el rango de los valores de la resistencia en micro ohmios $ue se pueden encontrar en los interruptores se divide en forma general de acuerdo a la capacidad de transporte del volta/e y de la corriente&
-9 (v O 0:: hasta 39: M N2 -0: (v O >: hasta :: M N2 -0: hasta 33: (v O 0:: M N má7. -=39 (v O : hasta >: M N.
MEDICIÓN DIN0MICA DE A RESISTENCIA DE CONTACTOS %l micro ohmmetro descrito antes se usa para medir la resistencia de contacto con la cámara de interrupci"n en la posici"n cerrada, pero no da ninguna indicaci"n de la condici"n de los contactos de arco. Una opci"n es realizar una inspecci"n interna pero esto toma bastante tiempo. %n el caso de los interruptores )*+, se deben estrictamente los procedimientos de mantenimiento para mane/ar de forma segura el gas )*+ y los subproductos del arco. 5or ello se ha desarrollado la medici"n dinámica de la resistencia de contactos. 5or definici"n, como sugiere su nombre, empieza desde una posici"n cerrada, y a medida $ue se mueve a su posici"n de apertura, se inyecta una corriente y se mide el volta/e. %s to nos dará el valor de la resistencia en todo su recorrido desde la posici"n cerrada hasta la posici "n abierta. %sta prueba re$uiere de un e$uipo especial *igura 09! y un procedimiento más complicado $ue el método estático. #a informaci"n recogida es de una naturaleza diferente y nos da un mayor entendimiento de la condici"n del contacto $ue no está disponible en la prueba estática.
RESUMEN %l contacto eléctrico es un componente crucial en los interruptores de potencia. Un incremento en la resistencia de contacto puede ocasionar la falla del interruptor. )e pudo observar $ue todos los elementos $ue afectan la resistencia de contacto alcanzarán el mismo resultado. )i la resistencia de contacto empieza a incrementarse significativamente, el incremento en el valor crecerá e7ponencialmente. #a norma internacional 8% 9+ establece como una lectura aceptable hasta un :P de incremento con respecto al valor de prueba original. 5or encima de este valor, es necesario realizar una inspecci"n de apertura.
