Programa Digital de Especificación Contactores vs. Interruptores para cargas de motores en media tensión Jorge Oliveira Ingeniero Especificador para Venezuela

imaginación en acción

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En este artículo se pretende conocer los dispositivos más comunes de maniobra y protección para los motores eléctricos de media tensión, tales como la combinación contactor-fusible y el interruptor. Identificar el tipo de carga y la aplicación es fundamental para escoger el mejor equipo. Las cargas como transformadores, generadores, motores, capacitores, alimentadores de distribución son comunes en la industria y en este caso en particular, nos enfocaremos en las cargas del tipo motores eléctricos de corriente alterna. El motor eléctrico es parte esencial en cualquier complejo industrial, el cual tiene sus solicitudes y diferencias que dependen básicamente del tipo de proceso en el cual se utilizan. En ocasiones, los motores entran en operación una vez arrancado el proceso y sólo se le hacen maniobras en casos excepcionales, sin embargo, en otro tipo de procesos es necesario que los motores se sometan a maniobras frecuentes. Para estos escenarios, las soluciones más adecuadas para las maniobras y la protección de los motores son distintas, por lo que es importante conocer las diferencias y virtudes de los dispositivos más comúnmente usados para este tipo de aplicaciones con motores eléctricos de corriente alterna.

1) Introducción Un motor eléctrico es un dispositivo que transforma la energía eléctrica en energía mecánica por medio de la acción de los campos magnéticos generados en sus bobinas. Son máquinas eléctricas rotatorias compuestas básicamente por un estator y un rotor. Son utilizados en infinidad de sectores; instalaciones industriales, comerciales, particulares; como ventiladores, bombas, máquinas, aparatos electrodomésticos, herramientas eléctricas entre otras aplicaciones. Los motores eléctricos pueden ser impulsados por fuentes de corriente continua (DC), tales como baterías de automóviles o rectificadores de corriente, y por fuentes de corriente alterna (AC), que puede ser alimentado directamente de la red eléctrica. Los motores de uso general con dimensiones y características más estandarizadas proporcionan la potencia adecuada al uso industrial. Los motores eléctricos más grandes se usan para propulsión de trenes, compresores y aplicaciones de bombeo y sus potencias alcanzan valores superiores a los 100 megavatios. Es evidente entonces el valor del motor eléctrico en los procesos industriales más importantes que lleva al cabo el ser humano para su bienestar y desarrollo. Es así como proteger a este significativo elemento se ha vuelto a su vez un objeto de estudio por los principales fabricantes de la industria eléctrica a nivel mundial. Para cargas asociadas a motores industriales en media tensión lo más común es que dentro del mecanismo de operación del motor se incluya un interruptor o un contactor-fusible para realizar funciones de maniobra (conexión y desconexión) con el sistema.

Medium Voltage AC Induction Totally Enclosed Fan Cooled Motor

2) Tecnología en vacío Los equipos de maniobras y protección han venido evolucionando con el correr del tiempo y los avances de la tecnología. Esto ha confluido a que en la actualidad, la tecnología más aceptada y usada en lo que corresponde la media tensión sea la tecnología de vacío, por lo que nos proponemos a profundizar un poco más sobre ella para una mejor comprensión. Para el equipamiento de media tensión, la estructura de los contactos de interrupción al vacío se encuentran dentro de una botella cerámica sellada completamente al vacío, donde cualquier arco que ocurra entre los contactos al momento de la apertura es extinguida instantáneamente, ya que al no haber presencia de aire, este no se ioniza, y no puede, por ende, mantenerse el arco eléctrico. Para cada uno de los polos del equipo corresponde una botella independiente y con la tecnología actual se ha logrado que la posibilidad de pérdida del vacío sea casi nula sobre todo en el momento de operación de los contactos que es cuando más solicitudes mecánicas tiene el sistema. De los dispositivos en vacío, el interruptor fue el primero en arribar a la escena. Como cualquier dispositivo de maniobra, la mayor dificultad que tuvo que enfrentar fue proporcionar una rápida interrupción de altas corrientes de falla con un mínimo desgaste en sus contactos. Presentado al mundo hace más de cincuenta años por General Electric, el interruptor en vacío ofrece estos beneficios al suprimir de aire sus contactos, tomando en cuenta que la formación del arco eléctrico implica la ionización del aire. El calor que se produce luego de un arco eléctrico puede mantener un flujo de corriente durante más de un ciclo completo, ya que el aire una vez sobrecalentado queda ionizado, incluso después que la corriente en el ciclo de la forma de onda haga su paso por cero. En vacío, pueden suceder algunos arcos eléctricos, sin embargo, estos son producidos por el metal vaporizado que es generado al momento de la separación de los contactos. Por lo tanto, a diferencia de los equipos aislados en aire, la extinción del arco y la completa interrupción de corriente se producen en una fracción de ciclo. Esta rápida acción de extinción se debe a que la unidad de vacío no cuenta con los componentes más complicados, poco fiables y de alto consumo de energía que poseen los interruptores de aire. El largo recorrido de los contactos y las voluminosas cámaras de corte, necesarias para enfriar y estirar el pesado arco en el aíre no son requeridas en un equipo de vacío, así como tampoco las grandes bobinas magnéticas de corte. Una fuerza de operación menor hace que un mecanismo sencillo de apertura y cierre actúe sobre los contactos, adicionalmente, la ausencia de una prolongada formación del arco eléctrico, aumenta considerablemente la vida útil de los propios contactos, dada la menor exposición que estos tienen ante el arco eléctrico. No obstante, un problema de funcionamiento surgió con el desarrollo de esta tecnología debido a la rápida acción de interrupción de los contactos en vacío. En cualquier circuito que contenga una inductancia, como por ejemplo un alimentador de motor, un aumento repentino de la tensión se produce cuando la corriente deja de fluir. Mientras más abrupta es la interrupción de corriente,

mayor será el pico de tensión transitorio. Esto traerá como consecuencia que tarde o temprano, esta condición rompa el aislamiento del bobinado del motor. Considerando entonces, que cuando el medio de interrupción es en aire, la apertura de los contactos al despejar una corriente es de cierta lentitud, en vacío la corriente es casi instantáneamente “cortada” a cero, por lo que una peligrosa tensión transitoria aparece cada vez que el interruptor hace una apertura. Es por ello que en algunas ocasiones es recomendado colocar un dispositivo limitador de sobretensiones en circuitos de motores alimentados a través de interruptores en vacío. Esta solución puede contrarrestar las ventajas del costo de un equipo en vacío. Sin embargo, para el control de motores, el interruptor de vacío, así como su contraparte en aire, tiene sus inconvenientes. Sus contactos, los cuales están diseñados para la interrupción poco frecuente de corrientes elevadas, no son apropiadas para las maniobras constantes de corrientes de arranque mucho menores. Con la combinación de un arrancador, solución muy conocida entre los usuarios de motores industriales, la protección contra fallas es proporcionada de una mejor manera por un seccionador fusible o por un interruptor aguas arriba, mientras que las maniobras de encendido o apagado del motor se manejan con un dispositivo más sencillo y simple como lo es el “contactor”. Pero los contactores convencionales tienden a desgastarse por el uso frecuente, y requieren bobinas de operación que consumen energía, por lo tanto el contactor de vacío fue desarrollado para reducir esas desventajas.

Tecnología en vacío

3) La comparación. 4.1 Contactor Un contactor es básicamente un dispositivo de maniobra. Son equipos cuya función es establecer e interrumpir repetidamente un circuito de energía con un poder muy limitado de cierre y corte en cortocircuito, para aplicaciones con maniobras muy frecuentes de hasta más de un (1) millón de ciclos de maniobra. Los contactores al vacío son especialmente adecuados para maniobras frecuentes de motores ya que en la mayoría de los casos no se producen sobretensiones inadmisibles al maniobrar motores durante su operación normal. Los contactores estándar para arrancar motores industriales son operados bajo la influencia de un imán y se mantienen cerrados por el efecto del mismo. Esto contribuye a la simplicidad del diseño mecánico y aumenta la vida mecánica del contactor. Estos dispositivos suelen no requerir ajustes o reparación mecánica durante muchos años, principalmente debido a la simplicidad mecánica y robustez. Los contactores operan electromecánicamente y utilizan una pequeña corriente de control para abrir y cerrar el circuito, es decir, los dispositivos electromécanicos hacen el trabajo, no interviene de manera directa con el equipo la “mano humana” como en el caso de un controlador manual o una cuchilla.

Contactor en vacío de media tensión 4.2 Interruptor Un Interruptor de vacío es utilizado para interrumpir flujos de corriente bajo condiciones nominales y de falla, esto en combinación con un relé de protección´, quien ordena el disparo automático en caso de falla. Cuando los contactos principales del interruptor en un ambiente de vacío se separan, la corriente a ser interrumpida se convierte en un arco que se disipa en forma de un plasma de vapor metálico, al pasar la forma de onda por cero el arco es totalmente extinguido y el vapor se condensa en el orden de los micro-segundos, como resultado de esto podríamos apuntar una alta fortaleza dieléctrica y una velocidad de interrupción muy rápida. Ésta solución es una de las más populares actualmente para media tensión.

Al maniobrar pequeños motores durante el arranque, pueden surgir sobretensiones de maniobra. La magnitud de estas sobretensiones puede reducirse a valores inofensivos mediante limitadores de sobretensión especiales. Para motores con compensación individual no es necesario ningún circuito de protección.

Interruptor en vacío de media tensión

4.3 Diferencias básicas entre un Interruptor y un Contactor La principal diferencia desde el punto de vista operativo es que un interruptor es un equipo de protección que despeja corriente de falla mientras el contactor es un equipo de maniobra que no puede hacerlo, por lo que para poder proteger la carga, generalmente los contactores están en serie con fusibles. De esta manera, durante un cortocircuito el fusible actúa como el elemento interruptor de la corriente de falla. De manera básica un contactor es un seccionador con mando a distancia y funciones automáticas. El interruptor se emplea para proteger el circuito y el contactor sólo se utiliza para abrir y cerrar los contactos.

Principales características contactor e interruptor en media tensión Característica

Interruptor

Contactor Muy Alta (en el orden de los cientos de miles)

Resistencia mecánica

Alta (típicamente 10.000 operaciones)

Resistencia eléctrica

Alta

Muy Alta

Corriente

Hasta 5000 A

Típicamente 400, 800 A

Aplicación Mantenimiento

No apropiado para aplicaciones de gran Diseñado para aplicaciones con gran cantidad de operaciones cantidad de operaciones Medio (largos periodos de Bajo (mecanismo simple) mantenimiento)

Costo

Relativamente elevado

Moderado

Operación

Operación eléctrica (manual en condiciones de mantenimiento o emergencia)

Operación eléctrica

Espacio requerido

Cerramiento grande

Cerramiento pequeño

Proceso

La continuidad del proceso es crítica (ejemplo, no hay tiempo para el reemplazo de fusibles)

Arranque de Motor

Arrancar a voltaje reducido no es necesario

La continuidad del proceso es compatible con el tiempo de reemplazo de un fusible dañado. Arrancar a voltaje reducido es necesario para reducir el esfuerzo en el arranque y la fluctuación de tensión en el sistema

4) Resistencia mecánica. Un concepto muy importante para conocer la mejor aplicación para cargas de motores en media tensión es el de “Resistencia Mecánica”, el cual se define en el estándar IEC como el número de operaciones que un equipo debe ser capaz de realizar durante su vida útil tomando en cuenta el programa de mantenimiento del fabricante. Para Interruptores ( IEC 62271-100): Clase M1: Interruptor estándar 2.000 secuencias de operación. Clase M2: Interruptor para requerimientos Especiales (Resistencia mecánica extendida) 10.000 secuencias de operación. Para Contactores (IEC 62271-106): Entre 10.000 y 3.000.000 ciclos de operación sin carga.

Un ejemplo de la importancia del concepto de Resistencia Mecánica, es que en la actualidad, es muy común ver en distintos tipos de industrias usar por costumbre como elemento de protección y maniobra contactor-fusible para sus cargas de motores de media tensión, especialmente en procesos continuos de producción. En este tipo de procesos las maniobras son excepcionales, pues la continuación del proceso es de vital importancia para la industria. Si vamos un poco más allá, se puede comprobar que al final del ciclo de vida de la instalación, el uso de interruptores puede ahorrarle una cantidad significativa de dinero este tipo de industria, ya que la resistencia (mecánica o eléctrica) requerida era muy inferior a la otorgada por el dispositivo usado, sin dejar a un lado que durante los periodos de falla, donde es necesario el reemplazo de un fusible, se incurre en costos sustanciales de producción. Este es sólo un ejemplo de la importancia que tiene escoger el dispositivo adecuado según sea el tipo de proceso y de cargas a proteger y/o maniobrar, donde la óptima selección puede representar a lo largo de la vida útil de un sistema un ahorro significativo de costos. 5) Conclusiones Entender el tipo de proceso industrial es fundamental para definir el mejor dispositivo de maniobra y/o protección cuando de motores eléctricos de media tensión se trata. La importancia del proceso, costos de parada, necesidad de arranque o parada de motores, son interrogantes que debemos aclarar para conocer en cuales casos se puede ver favorecido el uso de un interruptor o de un contactor-fusible. Dentro de este contexto, hay que entender que los motores en media tensión tienen sus particularidades desde el punto de vista de una carga eléctrica, por lo que conocer sus características es fundamental para identificar el mejor dispositivo para su protección y/o maniobra. Podemos decir a grandes rasgos que en procesos donde las maniobras no son frecuentes, donde la continuidad del proceso es crítica y donde la corriente de carga continua es elevada, el uso de un interruptor es la más adecuada. Para el caso que las maniobras son muy frecuentes, la continuidad del proceso puede esperar el reemplazo de los fusibles y donde el arranque a voltaje reducido es necesario, utilizar contactores es sin duda la mejor opción. Cuando la escogencia del dispositivo se hace con conciencia es probable que se provea al proceso de muchos años de operación adecuada, en caso contrario, no se harán esperar los problemas operativos. 6) Referencias -

International Standard IEC 62271-100. High-voltage alternating-current circuit-breakers. 2006. International Standard IEC 62271-106. High-voltage switchgear and controlgear –Part 106: Alternating current contactors, contactor-based controllers and motor-starters

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