Un arco en un interruptor automático es una descarga eléctrica luminosa que se forma entre los contactos que se separan cuando el interruptor abre un circuito que transporta corriente. El arco permite que la corriente continúe fluyendo brevemente a través del aire o gas ionizado hasta que el interruptor fuerza al arco a enfriarse, alargarse, dividirse y extinguirse.
Un interruptor automático no detiene la corriente en el instante en que sus contactos se separan. Primero debe controlar el arco creado durante la interrupción y luego extinguir dicho arco para que el circuito pueda abrirse de forma segura.
Es por esto que el control del arco es una de las partes más importantes del diseño de un interruptor automático. Un interruptor con una mala extinción de arco puede sufrir erosión de los contactos, sobrecalentamiento, daños en el aislamiento o fallar al interrumpir la falla de manera segura.
Términos clave sobre el arco de un vistazo
| Plazo | Significado | Función en un interruptor automático |
|---|---|---|
| Arco | Descarga luminosa conductiva a través del espacio de apertura de los contactos | Permite que la corriente continúe brevemente después de que los contactos se separan |
| Formación de arco | Proceso donde se forma gas ionizado entre los contactos | Ocurre durante la conmutación o la interrupción de una falla |
| Tensión de arco | Voltaje a través del arco durante la interrupción | Ayuda a oponerse a la corriente del circuito y favorece la extinción |
| Guía de arco | Trayectoria conductora que aleja el arco de los contactos | Desplaza el arco hacia la cámara de extinción |
| cámara de arco | Conjunto que divide y enfría el arco | Ayuda a extinguir el arco de forma segura |
| Placa divisora de arco | Placa metálica dentro de la cámara de extinción | Divide el arco en segmentos más pequeños |
| Cámara de extinción de arco | Espacio o estructura donde ocurre la extinción del arco | Contiene y controla la energía del arco |
| Extinción del arco | Proceso de extinción del arco | Requerido para una interrupción segura |
Cómo ocurre la formación del arco en un interruptor automático
La formación del arco comienza cuando los contactos del interruptor se abren mientras la corriente aún fluye.
La secuencia de interrupción generalmente funciona de la siguiente manera:
- El interruptor detecta una sobrecarga, un cortocircuito o una operación de conmutación manual.
- El mecanismo de operación separa los contactos.
- La corriente intenta seguir fluyendo a través del pequeño espacio entre los contactos.
- El aire o gas entre los contactos se ioniza.
- Se forma un arco conductor.
- El interruptor dirige el arco hacia el sistema de control de arco.
- El arco se alarga, se divide, se enfría y se extingue.
El arco no es un defecto en sí mismo. Es un fenómeno físico normal durante la interrupción de la corriente. El desafío de ingeniería es controlarlo de manera rápida y segura.
Por qué se forma un arco cuando los contactos se abren
Cuando los contactos están cerrados, la corriente fluye a través de una trayectoria metálica. Cuando comienzan a separarse, el área de contacto se reduce, la resistencia aumenta y el calor se eleva. Al mismo tiempo, el campo eléctrico a través del espacio de apertura puede ionizar el medio circundante.
Una vez que el medio se vuelve conductor, la corriente puede continuar a través del plasma del arco aunque los contactos metálicos ya no se estén tocando.
Es por eso que los interruptores automáticos necesitan algo más que un simple interruptor mecánico. Necesitan estructuras de control de arco que puedan manejar la energía liberada durante la interrupción.
Contactos principales frente a contactos de arco
En interruptores de baja tensión más grandes, especialmente en muchos MCCB y ACB, la trayectoria de la corriente puede incluir contactos principales y contactos de arqueo.
| Tipo De Contacto | Rol Principal | Por qué es importante |
|---|---|---|
| Contactos principales | Transportar corriente con baja resistencia durante el funcionamiento normal | Diseñados para la conductividad y un bajo calentamiento |
| Los contactos de arco | Absorber el arco durante la apertura y el cierre | Proteger los contactos principales de la erosión severa por arco |
La secuencia típica es apertura primero / cierre al final para los contactos de arco en relación con el sistema de contactos principales, dependiendo del diseño del interruptor. Durante la apertura, los contactos principales se separan primero para que el arco se transfiera a los contactos de arco. Durante el cierre, los contactos de arco hacen contacto primero para que los contactos principales no se dañen por el esfuerzo eléctrico inicial.
Esta sincronización de contactos es una de las razones por las que un interruptor automático es más complejo que un simple interruptor. Debe transportar corriente de manera eficiente durante el servicio normal y sobrevivir a eventos de interrupción repetidos durante fallas.
Guía de arco en un interruptor automático
Un guía de arco es una parte conductora que ayuda a desplazar el arco lejos de los contactos principales y hacia la cámara de extinción.
Su función es práctica:
- reducir el daño en los contactos;
- guiar el arco por la trayectoria correcta;
- ayudar a transferir el arco desde el área de contacto hacia la cámara de arco;
- favorecer una extinción del arco más rápida y controlada.
En muchos diseños de interruptores, el cuerno de arco trabaja junto con las fuerzas magnéticas generadas por la corriente de falla. Una forma simplificada de expresar la fuerza impulsora es F = I × L × Bdonde F es la fuerza que actúa sobre el arco, Yo es la corriente del arco, L es la longitud efectiva del arco en el campo magnético, y B es la densidad de flujo magnético. En el diseño práctico de interruptores, una corriente de cortocircuito mayor puede generar una fuerza motriz magnética más potente, lo que ayuda a empujar el arco a lo largo de la guía hacia la cámara de extinción, donde puede ser dividido y enfriado.
F = I × L × BCómo la fuerza magnética mueve el arco hacia la cámara de extinción
Cuando una corriente elevada circula a través de un interruptor, la trayectoria de la corriente crea un campo magnético. El arco mismo también transporta corriente. La interacción entre el arco que transporta corriente y el campo magnético crea una fuerza que puede empujar el arco lejos de los contactos.
Este movimiento magnético es útil porque:
- aleja el arco de la superficie de contacto;
- transfiere el arco hacia la guía de arco;
- impulsa el arco hacia las placas divisorias;
- reduce el tiempo que el arco permanece en el área de contacto principal.
En los interruptores de CC, el control magnético del arco se vuelve aún más importante porque no existe un paso natural por cero de la corriente. Esta es también la razón por la que la polaridad puede ser relevante en algunos diseños de interruptores de CC.
Desde la perspectiva del diseño del producto, la presencia de una cámara de extinción por sí sola no es suficiente. La forma de la guía de arco, la velocidad de apertura de los contactos, la alineación de las placas divisorias, la ruta de ventilación y el material aislante alrededor de la cámara afectan si el arco se desplaza limpiamente hacia la zona de extinción en lugar de permanecer cerca de los contactos.
Cámara de extinción de arco
Un cámara de extinción de arco es la estructura que ayuda a extinguir el arco después de que abandona el área de contacto. A menudo está compuesta por múltiples placas divisorias o placas de arco dispuestas dentro de una cámara aislante.
La cámara de extinción de arco funciona mediante:
- el alargamiento de la trayectoria del arco;
- la división de un arco grande en segmentos de arco más pequeños;
- el enfriamiento del gas ionizado caliente;
- el aumento de la tensión del arco;
- la ayuda a la desionización de la trayectoria del arco;
- la contención de gases calientes y partículas dentro del diseño del interruptor.
La frase cámara de extinción de arco generalmente se refiere al espacio o conjunto donde ocurre este control de arco.
Materiales de los contactos: Por qué se utilizan aleaciones de tungsteno-cobre y plata
Los contactos de los interruptores automáticos deben conducir corriente durante el funcionamiento normal y resistir el calentamiento por arco durante la interrupción. Esto crea un compromiso en la elección del material.
Las estrategias comunes de materiales de contacto incluyen aleaciones a base de plata para la conductividad y resistencia al arco, y materiales tipo tungsteno-cobre donde se requiere una mayor resistencia a la erosión por arco. El material exacto depende del tipo de interruptor, la corriente nominal, la aplicación y el diseño del fabricante.
El concepto de ingeniería clave es el siguiente: el tungsteno proporciona resistencia a la erosión por arco con un alto punto de fusión, mientras que el cobre mejora la conductividad y la transferencia de calor. El objetivo es mantener la estructura del contacto estable bajo el calentamiento repetido por arco mientras se mantiene una resistencia de contacto aceptable.
Esto es más preciso que decir que el tungsteno-cobre se utiliza solo para reducir la emisión de electrones. En los contactos de los interruptores, el punto de fusión, la resistencia a la erosión, el comportamiento térmico, la conductividad y la integridad mecánica son factores importantes.
¿Qué es el apagado de arco?
Extinción del arco es el proceso de extinguir el arco para que la corriente deje de fluir.
Los interruptores automáticos pueden utilizar diferentes métodos de apagado de arco según el tipo y la clase de tensión:
| Tipo de disyuntor | Método común de apagado de arco |
|---|---|
| MCB | Cámara de apagado de arco con placas divisorias |
| MCCB | Cámara de arco, guías de arco, placas divisorias, aislamiento moldeado |
| ACB | Interrupción de arco en aire con cámaras de arco más grandes |
| disyuntor de CC | Cámara de apagado de arco con soplado magnético o diseño multipolar en serie |
| Interruptor de alta tensión | Métodos de interrupción por vacío, SF6, chorro de aire u otros métodos especializados |
Para los MCB y MCCB de baja tensión, las cámaras de extinción de arco y las placas divisorias son los componentes más conocidos.
¿Qué es la tensión de arco?
Tensión de arco Es la tensión a través del arco durante la interrupción. A medida que el interruptor estira, divide y enfría el arco, la tensión de arco aumenta. Cuando la tensión de arco es lo suficientemente alta en relación con las condiciones del circuito, la corriente puede ser forzada a bajar y el arco puede extinguirse.
En términos prácticos, un buen sistema de control de arco aumenta la resistencia y el enfriamiento del arco para que la corriente no pueda continuar a través de la trayectoria ionizada.
La tensión de arco no es un valor de catálogo fijo. Incluye caídas de tensión cerca de las regiones del cátodo y el ánodo, además del gradiente de tensión a lo largo de la columna del arco. En el diseño de interruptores de baja tensión, la cuestión importante es si la geometría de los contactos, la guía de arco, el conjunto de placas divisorias, el flujo de gas y el aislamiento de la cámara pueden elevar la tensión de arco lo suficientemente rápido bajo las condiciones de cortocircuito probadas.
Esta es una de las razones por las que la geometría de los contactos, las guías, las placas, la forma de la cámara y el flujo de gas son importantes en el diseño de interruptores.
Arco de CA frente a arco de CC en interruptores automáticos
Los arcos de CA y CC se comportan de manera diferente.
| Característica | Arco de CA | Arco de CC |
|---|---|---|
| Paso por cero de la corriente | Cruce natural por cero cada medio ciclo | Sin paso natural por cero |
| La extinción del arco | Ayudado por el paso por cero de la corriente | Debe ser forzado por el diseño del interruptor |
| Diseño del interruptor automático | La cámara de extinción de arco con clasificación de CA puede ser suficiente para su capacidad nominal | Requiere un diseño de extinción de arco clasificado para CC |
| Consideración de polaridad | Generalmente menos crítico en interruptores de CA de baja tensión | Importante en muchos interruptores de CC polarizados |
Esta es la razón por la que un interruptor de CA no debe utilizarse automáticamente en un circuito de CC. Los arcos de CC pueden persistir a menos que el interruptor esté específicamente diseñado y clasificado para la interrupción de CC.
Para detalles sobre interruptores de CC, consulte ¿Qué es un interruptor de circuito de CC?.
Arco en MCB vs MCCB vs ACB
| Tipo de disyuntor | Dónde ocurre el control del arco | Diferencia práctica |
|---|---|---|
| MCB | Cámara de arco compacta cerca del sistema de contactos | Espacio reducido, división rápida del arco, tamaño de bastidor limitado |
| MCCB | Cámara de arco moldeada y guías de arco más grandes | Tamaños de bastidor superiores y estructuras de interrupción más robustas |
| ACB | Cámara de arco de aire más grande | Utilizado en aparamenta de baja tensión de mayor corriente |
El principio básico es similar: el interruptor abre los contactos, forma un arco, dirige el arco hacia una cámara, lo divide y enfría, e interrumpe la corriente. El tamaño físico y la capacidad de interrupción cambian según el tipo de interruptor.
Para piezas internas de MCCB, consulte Estructura interna y componentes del MCCB.
IEC 60947-2, UL 489 y capacidades de interrupción de arco
La interrupción de arco no se evalúa solo mediante el diseño visual. Los interruptores automáticos se prueban bajo marcos normativos que definen cómo se verifica el rendimiento de la interrupción.
Para interruptores industriales de baja tensión, IEC 60947-2 es un contexto normativo clave. En los mercados de interruptores de caja moldeada y de derivación de América del Norte, UL 489 es una referencia clave. La norma aplicable depende del tipo de producto, el mercado y la instalación.
Las clasificaciones importantes relacionadas con la interrupción de arco incluyen:
| Clasificación | Significado | Por qué se relaciona con el control de arco |
|---|---|---|
| La uci | Poder de corte último en cortocircuito | Verifica que el interruptor pueda interrumpir una falla grave bajo condiciones de prueba definidas |
| Ics | Poder de corte en cortocircuito de servicio | Indica el rendimiento después de la interrupción bajo condiciones de prueba relacionadas con el servicio |
| Icw | Corriente admisible de corta duración | Importante para la selectividad y el comportamiento de resistencia en algunos tipos de interruptores |
| Tensión nominal | Tensión a la que se prueba la interrupción | Una tensión más alta generalmente hace que la extinción del arco sea más exigente |
Estos valores nominales deben leerse en la hoja de datos y en el contexto de la norma. Un interruptor con una cámara de arco de aspecto robusto aún necesita una capacidad de ruptura probada adecuada para el circuito real.
Para la guía de selección de productos VIOX, la pregunta práctica no es si un interruptor tiene una cámara de arco visible. Casi todos los interruptores de baja tensión tienen algún tipo de estructura de control de arco. La pregunta más útil es si el sistema de contactos, la guía de arco, el paquete de placas de extinción, el aislamiento moldeado, la ruta de ventilación y la estructura de los terminales están validados conjuntamente bajo las condiciones de prueba de capacidad de ruptura requeridas. Aquí es donde Icu, Ics, la tensión nominal y la norma aplicable importan más que la apariencia visual.
Arco en un interruptor automático frente a interruptor de falla de arco
La misma palabra “arco” aparece en dos temas diferentes de interruptores, pero los significados son distintos.
| Plazo | Significado |
|---|---|
| Arco en un interruptor automático | El arco interno que se forma cuando los contactos del interruptor se abren durante la interrupción |
| Arco eléctrico | Arqueo no deseado en cableado, cordones, terminales o equipos |
| Interruptor de falla de arco / AFCI | Un interruptor diseñado para detectar firmas peligrosas de falla de arco en un circuito |
Un arco normal de interruptor ocurre dentro del dispositivo durante la conmutación o la interrupción de una falla. Una falla de arco ocurre fuera del sistema de contactos previsto y puede indicar cableado dañado, conexiones sueltas o fallas en el aislamiento.
Señales de posibles problemas de arco eléctrico en el interruptor
El arco eléctrico dentro del dispositivo es normal durante la interrupción, pero no se deben ignorar los síntomas externos anormales.
Llame a un electricista o técnico cualificado si observa:
- olor a quemado cerca de un cuadro eléctrico;
- zumbidos, siseos o chasquidos provenientes de un interruptor;
- daños por calor o decoloración;
- aislamiento derretido cerca de los terminales;
- disparos repetidos del interruptor;
- destello visible fuera del interruptor;
- terminales sueltos o dañados.
No abra ni inspeccione el interior de un interruptor bajo tensión. Los interruptores automáticos son dispositivos de seguridad sellados o ensamblados, no cámaras de arco reparables en campo.
Erosión por arco, picaduras en los contactos y cuándo el arco del interruptor se convierte en un problema
Cada evento de interrupción puede someter a tensión los contactos del interruptor. En condiciones normales de servicio esto es esperado, pero las fallas severas repetidas o las malas condiciones de los terminales pueden acelerar el desgaste.
Las posibles señales de tensión excesiva relacionada con el arco incluyen:
- contactos picados o erosionados en equipos industriales reparables;
- decoloración alrededor de los terminales o rejillas de ventilación;
- olor inusual después de la operación;
- daños en la carcasa del interruptor;
- disparos repetidos bajo condiciones de carga similares;
- aumento de la resistencia de contacto en equipos donde la medición es parte de la práctica de mantenimiento.
Para interruptores miniatura sellados, la inspección de los contactos internos generalmente no es práctica. Para aparamenta de mayor tamaño que permite mantenimiento, la inspección y el mantenimiento deben seguir las instrucciones del fabricante y los procedimientos de seguridad del sitio.
Malentendidos comunes sobre los arcos en interruptores automáticos
Error 1: Pensar que cualquier arco significa que el interruptor está defectuoso
Un arco interno durante la interrupción es normal. El interruptor está diseñado para controlarlo.
Error 2: Pensar que una cámara de extinción de arco evita todo daño en el interruptor
La cámara de extinción de arco reduce y controla la energía del arco, pero las interrupciones repetidas de fallas altas aún pueden estresar los contactos y las partes internas.
Error 3: Confundir el arco del interruptor con la protección contra fallas de arco
El control de arco interno del interruptor y la detección de fallas de arco AFCI son temas diferentes.
Error 4: Usar suposiciones de arco de CA para interruptores de CC
Los arcos de CC son más difíciles de extinguir porque no hay un cruce por cero natural. Utilice interruptores con clasificación de CC para circuitos de CC.
Error 5: Ignorar el estado de los terminales
Los terminales flojos pueden causar calentamiento externo y formación de arcos. Eso es diferente del arco interno normal que se forma durante la interrupción del interruptor.
PREGUNTAS FRECUENTES
¿Puede una cámara de extinción de arco de CA extinguir un arco de CC?
No automáticamente. La interrupción en CA se beneficia de los pasos naturales por cero de la corriente, mientras que la interrupción en CC debe forzar al arco a alargarse, enfriarse y extinguirse sin esa ayuda. Un interruptor utilizado en circuitos de CC debe estar específicamente clasificado para la tensión, corriente, condición de polaridad y aplicación de CC.
¿Cuál es la diferencia entre los contactos de arco y los contactos principales?
Los contactos principales están optimizados para transportar corriente con baja resistencia durante el funcionamiento normal. Los contactos de arco están diseñados para soportar el estrés eléctrico durante la apertura y el cierre, de modo que los contactos principales no queden expuestos a la mayor erosión por arco.
¿Con qué frecuencia deben inspeccionarse los contactos de arco en los interruptores industriales?
Siga las instrucciones de mantenimiento del fabricante del interruptor y el procedimiento de seguridad eléctrica del sitio. La frecuencia de inspección depende del tipo de interruptor, el historial de fallas, el ciclo de conmutación, el entorno y si el dispositivo es reparable. Los MCB sellados y muchos MCCB normalmente se reemplazan en lugar de abrirse para la inspección de contactos.
¿Por qué un interruptor huele a quemado después de dispararse?
Un olor ligero después de una interrupción severa puede provenir de gases calientes y subproductos del arco dentro del interruptor. Un olor a quemado persistente, decoloración, aislamiento derretido, calentamiento de terminales o disparos repetidos no es normal y debe verificarse antes de volver a energizar el circuito.
¿Un valor nominal de Icu más alto significa una cámara de extinción de arco mejor?
No por sí solo. La Icu es una capacidad última de ruptura en cortocircuito probada bajo condiciones definidas. El diseño de la cámara de extinción de arco es importante, pero también lo son la velocidad de los contactos, la geometría de las guías, el aislamiento moldeado, el diseño de los terminales, la tensión nominal y la secuencia completa de pruebas. La Ics también es importante porque indica el rendimiento en cortocircuito de servicio bajo la norma aplicable.
¿Se puede reparar el arqueo de un interruptor?
Para los MCB sellados y muchos MCCB, el daño interno por arco no es reparable en campo. Reemplace el dispositivo si la inspección o la guía del fabricante indican daños. Los interruptores más grandes que permiten mantenimiento pueden tener procedimientos aprobados por el fabricante, pero la reparación solo debe ser realizada por personal cualificado utilizando piezas y métodos de prueba aprobados.
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Conclusión
Un arco en un interruptor automático es un evento eléctrico normal pero intenso que se crea cuando los contactos se abren bajo carga. El interruptor debe desplazar ese arco hacia un sistema de control de arco, dividirlo, enfriarlo, elevar la tensión del arco y extinguirlo.
Las partes más importantes que se deben comprender son los guía de arco, cámara de extinción de arco, placas de extinción de arcoy cámara de extinción de arco. Estos componentes son los que permiten que un interruptor automático interrumpa la corriente de forma segura en lugar de actuar como un simple interruptor.
