De MVA a kA/kV: Por qué han cambiado las clasificaciones de los interruptores automáticos

Clasificación del interruptor automático – Capacidad de ruptura, capacidad de cierre, voltaje y corriente nominal, ciclo de trabajo y capacidad de operación en cortocircuito

No me maten por mencionar la sorprendente clasificación en MVA de un interruptor automático, ya que todos hemos oído hablar de interruptores de 500 o 1000 MVA. Estas clasificaciones no aparecen en modelos recientes, ya que era la lógica antigua y las cosas han cambiado. Para aclarar el concepto básico y saber qué pasó exactamente con las normas, veamos la siguiente explicación. En realidad, es la capacidad de ruptura (no corriente de ruptura) del interruptor automático la que ahora se expresa en kA en lugar de MVA (como era antes).

Antes de entrar en detalles, sepamos qué hace exactamente un interruptor automático y cuáles son los diferentes tipos de clasificaciones.

Un interruptor automático es un dispositivo de control y protección usado para el mecanismo de conmutación y protección del sistema que:

• Cierra y abre el circuito manual o automáticamente en condiciones normales y de fallo.
• Abre el circuito automáticamente y cierra el camino a corrientes de cortocircuito y sobrecorrientes para que fluyan a través de él.
• Transporta la corriente de fallo por un tiempo muy corto mientras otros interruptores en serie conectados eliminan el fallo en el circuito conectado.

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Basándonos en los tres deberes de un interruptor automático mencionados, existen seis clasificaciones:

• Capacidad de ruptura (Breaking Capacity)
• Capacidad de cierre (Making Capacity)
• Ciclo de trabajo del interruptor (Secuencia de operación nominal)
• Clasificación de voltaje
• Capacidad de operación en tiempo corto
• Clasificación de corriente normal

Capacidad de ruptura (Antes MVA, ahora kA)

La capacidad de ruptura es la corriente máxima de fallo o cortocircuito (RMS) que un interruptor automático puede soportar o interrumpir abriendo sus contactos cerrados al voltaje de recuperación nominal sin dañar el interruptor ni los aparatos conectados.

La capacidad de ruptura se expresa en valor RMS debido a factores simétricos y asimétricos por la presencia de ondulaciones y componentes DC durante el fallo por un tiempo muy corto.

La capacidad de ruptura se clasificaba en MVA anteriormente considerando la corriente de ruptura nominal y el voltaje de operación nominal del interruptor. Se calculaba así:

Capacidad de ruptura = √3 × V × I × 10^-6 … MVA

o

Capacidad de interrupción o ruptura = √3 × Voltaje de línea nominal × Corriente de línea nominal × 10^-6 … MVA

Ejemplo:

¿Cuál es la corriente de interrupción o ruptura de un interruptor con clasificación de 100 MVA de capacidad de ruptura y 11 kV de voltaje de servicio nominal?

Solución:

Corriente de ruptura = 100 × 10^-6 / (√3 × 11 kV) = 52.48 kA

¿Por qué la capacidad de ruptura se expresa en kA en lugar de MVA?

Es claramente ilógico expresar la clasificación de un interruptor en MVA porque hay un voltaje muy bajo y corriente máxima durante fallos de cortocircuito. Cuando el interruptor abre los contactos para eliminar las corrientes de fallo, el voltaje nominal aparece a través de los contactos del interruptor. En resumen, las mismas magnitudes nominales no aparecen continuamente durante las corrientes de fallo. Por eso la capacidad de ruptura no puede expresarse en MVA.

Por estas razones, los fabricantes siguen los estándares internacionales recientes y revisados para expresar la capacidad de ruptura en corriente de ruptura simétrica en kA al voltaje nominal en lugar de MVA. La clasificación de capacidad de ruptura en amperios o kA va seguida por la corriente de ruptura y el voltaje de recuperación transitorio (TRV) ya que puede ser tanto simétrica como asimétrica durante fallos de cortocircuito.

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Capacidad de cierre (Making Capacity)

La capacidad de cierre de un interruptor automático es el valor pico de corriente incluyendo factores de ondulación a corto plazo y componentes DC durante el primer ciclo de la onda de corriente de fallo tras el cierre de los contactos.

Tenga en cuenta que la capacidad de cierre se clasifica en kA expresada en valor pico en lugar de valor RMS (la capacidad de ruptura se expresa en RMS). Esto se debe a las posibilidades de cerrar los contactos del interruptor exitosamente durante corrientes de fallo manejando fuerzas electromagnéticas y formación/extinción de arco sin dañar el interruptor y circuito.

Estas fuerzas perjudiciales son directamente proporcionales al cuadrado del valor instantáneo máximo de corriente al cerrar. Por eso la capacidad de cierre se expresa en valor pico comparado con la capacidad de ruptura que se expresa en RMS.

El valor de corrientes de cortocircuito es máximo en la primera fase u onda en caso de máxima asimetría en una fase conectada al interruptor. En términos simples, la corriente de cierre es igual al valor máximo de corriente asimétrica, es decir, la capacidad de cierre del interruptor siempre es mayor que la capacidad de ruptura.

La corriente nominal de cierre en cortocircuito se toma como 2.5 × valor RMS de componentes CA de la corriente de ruptura nominal, ya que teóricamente la corriente de fallo puede subir al doble de su nivel simétrico en la etapa inicial.

La capacidad de cierre del interruptor se calcula así:

Para convertir la corriente de ruptura simétrica de RMS a valor pico:

Capacidad de cierre = Corriente de ruptura simétrica × √2

Multiplique la expresión anterior por 1.8 para incluir el efecto de duplicación de la máxima asimetría, es decir, efecto de corriente de cortocircuito considerando ligera caída de corriente durante el primer cuarto de ciclo.

Capacidad de cierre = √2 × 1.8 × Corriente de ruptura simétrica = 2.55 × Corriente de ruptura simétrica

Capacidad de cierre del interruptor = 2.55 × Corriente de ruptura simétrica

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Ciclo de trabajo del interruptor automático o secuencia de operación nominal

Muestra el requisito de trabajo mecánico del mecanismo de conmutación del interruptor.

El ciclo de trabajo o secuencia de operación nominal se expresa así:

O – t – CO – t' – CO

Donde:

• O = Operación de apertura del interruptor
• t = 0.3 seg para primer rearme automático si no se especifica
• t' = Tiempo entre dos operaciones (restaurar condición inicial y evitar calentamiento inapropiado de contactos)
• CO = Operación de cierre inmediatamente tras apertura sin retardo

Voltaje nominal

El valor del límite máximo seguro de voltaje que el interruptor puede operar sin daño se conoce como voltaje nominal del interruptor automático.

El valor del voltaje nominal depende del espesor y material de aislamiento usado en la construcción. El voltaje nominal del interruptor se relaciona con el voltaje de sistema más alto debido al aumento de voltaje por ausencia de carga o cambio repentino a valor menor. Así puede manejar el aumento del voltaje del sistema a la capacidad nominal más alta. Por ejemplo, el interruptor debe soportar el 10% del voltaje nominal del sistema en caso de sistema de 40 kV donde el límite es 5% sobre el voltaje de sistema de 400 kV. Así, un interruptor para línea de 6.6 kV debe estar clasificado aprox. 7.2 kV, etc., debido al voltaje de sistema más alto correspondiente.

Por otro lado, un interruptor con voltaje nominal de 400 V CA no debe operarse a voltaje superior (1000 V o más), mientras que un interruptor de 1000 V CA puede usarse en sistemas de 400 V. Si usamos el interruptor a su nivel de voltaje nominal, será capaz de extinguir el arco producido en los contactos. Si usamos el interruptor en niveles de voltaje superiores al nominal, el voltaje de recuperación transitorio (TRV) comparado con la rigidez dieléctrica del medio de extinción de arco. En ese caso, el arco puede persistir al no poder extinguirse, lo que lleva a dañar el interruptor o su aislamiento.

Generalmente, el voltaje nominal del interruptor es superior al de barra y carga en sistemas de potencia. Típicamente hay dos tipos según niveles de voltaje: interruptores de baja tensión y alta tensión con las siguientes características:

• Interruptores de baja tensión para 1 kV CA y 1.2 kV CC; alta tensión es superior.
• Interruptores de alta tensión se usan en controles interiores y exteriores en sistemas de alta tensión; los de baja tensión en aplicaciones interiores.
• Interruptores de baja tensión son más complejos y operan más frecuentemente que los de alta tensión por menores distancias fase-fase y fase-tierra. Los métodos de ensayo difieren para ambos tipos.

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Además de la clasificación de voltaje anterior, dos clasificaciones adicionales pueden considerarse al evaluar el nivel de voltaje para interruptores en diferentes operaciones.

1. Clasificación de voltaje de impulso
2. Clasificación de voltaje de soportar frecuencia de potencia

Clasificación de voltaje de impulso de un interruptor automático muestra la capacidad para manejar impulsos transitorios por rayos o maniobras. La duración de la clasificación de voltaje de impulso o transitorio es en microsegundos. Por esto, sus contactos respecto al aislamiento están diseñados para soportar el voltaje pico transitorio por un tiempo muy corto.

Clasificación de voltaje de soportar frecuencia de potencia de un interruptor automático muestra la capacidad para manejar el aumento repentino de voltaje muy superior al voltaje de sistema más alto. Es debido a cambios repentinos de carga o desconexión de gran porción de carga de una vez.

Este voltaje por frecuencia de potencia es por tiempo muy corto, generalmente 60 segundos, pero el interruptor debe ser capaz de manejar el sobrevoltaje de frecuencia de potencia.

El siguiente gráfico muestra las diferentes clasificaciones de niveles de voltaje del interruptor: Voltaje nominal del sistema, Voltaje más alto del sistema, Voltaje de soportar frecuencia de potencia y Niveles de voltaje de impulso.

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Capacidad de operación en tiempo corto

La capacidad de tiempo corto de un interruptor automático es el período especificado en el que el interruptor transporta la corriente de fallo permaneciendo cerrado.

Para reducir operaciones no deseadas como corriente de fallo por tiempo muy corto o cambio/reducción repentina de cargas, el interruptor no debe disparar y desconectar el circuito si el fallo desaparece automáticamente y maneja la fuerza electromagnética y subida de temperatura. Si excede el tiempo especificado en segundos o milisegundos, el interruptor abrirá los contactos para asegurar la máxima protección posible a la porción conectada de cargas y equipos.

Existen diferentes clases como B, C, D y Clase 1, 2, 3 con curvas asociadas. Clase 3 es la mejor permitiendo máximo 1.5L joule/segundo testeado según IS 60898. Por ejemplo, interruptor de aceite tiene capacidad de tiempo de 3 segundos y no debe exceder los 3s exactos transportando corriente de cortocircuito. La capacidad nominal de corriente en tiempo corto debe igualar la capacidad de ruptura nominal del interruptor. Por tanto, debe tenerse cuidado con dispositivos sensibles al considerar la clasificación de capacidad de tiempo de interruptores.

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Clasificación de corriente normal

La clasificación de corriente normal de un interruptor automático es el valor RMS de corriente que puede transportar continuamente a su voltaje y frecuencia nominales sin cambios en la operación por aumento de temperatura durante operación normal.

La corriente normal debe ser el 125% de la corriente nominal del circuito. Por ejemplo, si la corriente de carga es 24 A, la clasificación del interruptor debe ser:

= 24 A × 125%

= 24 A × 1.25

Tamaño de corriente del interruptor = 30 A

Otra forma, la corriente del interruptor se divide por 0.8 para encontrar la corriente de carga. Es decir, un interruptor de 25 A puede usarse para carga de iluminación de 20 A, etc.

Corriente de carga = Clasificación de corriente del interruptor × 0.8

Corriente de carga = 25 A × 0.8 = 20 A.