Un interruptor de circuito de falla de arco ( AFCI ) también conocido como dispositivo de detección de falla de arco ( AFDD ) [1] es un interruptor de circuito que rompe el circuito cuando detecta un arco eléctrico en el circuito que protege para evitar incendios eléctricos. Un AFCI distingue selectivamente entre un arco inofensivo (incidental al funcionamiento normal de interruptores, enchufes y motores cepillados) y un arco potencialmente peligroso (que puede ocurrir, por ejemplo, en un cable de lámpara que tiene un conductor roto).
Los interruptores AFCI han sido necesarios para los circuitos que alimentan los enchufes eléctricos en dormitorios residenciales según los códigos eléctricos de Canadá y Estados Unidos desde principios del siglo XXI; el Código Eléctrico Nacional de EE. UU . les ha exigido que protejan la mayoría de los tomacorrientes residenciales desde 2014, [2] y el Código Eléctrico de Canadá lo ha hecho desde 2015. [3] En partes del mundo que usan 230 V, donde el voltaje más alto implica corrientes más bajas, específicamente en el oeste En Europa y el Reino Unido, la adopción es más lenta y su uso es opcional, excepto en casos de alto riesgo.
En los Estados Unidos, las fallas de arco son una de las principales causas de incendios eléctricos residenciales. [4] Cada año en los Estados Unidos, más de 40,000 incendios se atribuyen al cableado eléctrico del hogar. Estos incendios provocan más de 350 muertes y más de 1,400 lesiones cada año. [5]
Los disyuntores convencionales solo responden a sobrecargas y cortocircuitos , por lo que no protegen contra condiciones de arco que producen corriente errática y, a menudo, reducida. Los AFCI son dispositivos diseñados para proteger contra incendios causados por fallas de arco en el cableado eléctrico del hogar. La circuitería AFCI monitorea continuamente la corriente y discrimina entre condiciones de arco normales y no deseadas. Una vez detectado, el AFCI abre sus contactos internos, desactivando así el circuito y reduciendo la posibilidad de que ocurra un incendio.
Principio de funcionamiento [ editar ]
La electrónica dentro de un disyuntor AFCI detecta corriente eléctrica alterna a frecuencias características, generalmente alrededor de 100 kHz, que se sabe que están asociadas con el arco de alambre, que se mantienen durante más de unos pocos milisegundos. Un disyuntor AFCI combinado brinda protección contra el arco paralelo (línea a neutro), el arco en serie (un segmento suelto, roto o de alta resistencia en una sola línea), el arco a tierra (desde la línea o neutro a tierra), la protección contra sobrecarga y Protección contra cortocircuitos.
Los receptáculos AFCI contienen componentes electrónicos para monitorear un circuito en busca de condiciones peligrosas de arco eléctrico. Basado en un umbral establecido en la onda sinusoidal, el AFCI puede activarse para reaccionar rápidamente y desactivar un circuito si se detecta un arco eléctrico peligroso.
Cuando se instala como la primera salida en un circuito derivado, los receptáculos AFCI brindan protección de arco en serie para todo el circuito derivado. También proporcionan protección de arco paralelo para el circuito derivado que comienza en el receptáculo AFCI. A diferencia de los disyuntores AFCI, los receptáculos AFCI se pueden usar en cualquier sistema de cableado, independientemente del panel.
Requisitos del código eléctrico de EE. UU. Y Canadá [ editar ]
Comenzando con la versión de 1999 del Código Eléctrico Nacional en los Estados Unidos, y la versión 2002 del Código Eléctrico Canadiense en Canadá, los códigos nacionales requieren AFCI en todos los circuitos que alimentan los tomacorrientes en las habitaciones de las unidades de vivienda. A partir del NEC 2014, se requiere protección AFCI en todos los circuitos derivados que suministran salidas o dispositivos instalados en las cocinas de las unidades de vivienda, junto con las adiciones del NEC de 2008 de habitaciones familiares, comedores, salas de estar, salones, bibliotecas, guaridas, dormitorios, terrazas solares, salas de recreación, armarios, pasillos, áreas de lavandería y habitaciones y áreas similares. También se requieren en unidades de dormitorio. Este requisito se puede lograr mediante el uso de un interruptor de "tipo de combinación", un tipo específico de interruptor de circuito definido por UL1699: en el panel de interruptores que proporciona protección combinada contra falla de arco y sobrecorriente o mediante el uso de un receptáculo AFCI para modificaciones / extensiones, como receptáculos de reemplazo o en una construcción nueva, en la primera salida en la rama. No todas las jurisdicciones de los Estados Unidos han adoptado los requisitos de AFCI del NEC, por lo que es importante verificar los requisitos del código local.
El AFCI está destinado a evitar el fuego de los arcos. Los interruptores automáticos AFCI están diseñados para cumplir con uno de los dos estándares especificados por UL 1699: tipo "derivado" o tipo "combinación" (nota: el Código Eléctrico Canadiense usa una terminología diferente pero requisitos técnicos similares). Un tipo de rama AFCI se dispara en 75 amperios de corriente de arco desde el cable de línea hasta el cable neutro o de tierra. Un tipo de combinación agrega detección de arco en serie al rendimiento del tipo de rama. Los AFCI de tipo combinado se disparan con 5 amperios de arco en serie.
Los receptáculos AFCI son una solución alternativa a los interruptores AFCI. Estos receptáculos están diseñados para abordar los peligros asociados con ambos tipos de arcos potencialmente peligrosos: paralelos y en serie. Los receptáculos AFCI ofrecen el beneficio de la prueba localizada y el reinicio con dichos botones ubicados en la parte frontal del dispositivo. Esto es muy conveniente y ahorra un viaje al panel de interruptores.
En 2002, el NEC eliminó la palabra "receptáculo", dejando "salidas", con el efecto de que se agregaron al requisito luces y otros dispositivos conectados como ventiladores de techo dentro de las habitaciones. El código de 2005 dejó en claro que todos los puntos de venta deben estar protegidos a pesar de la discusión en el panel de creación de códigos sobre la exclusión de los detectores de humo del dormitorio del requisito. Los "puntos de venta" definidos en el NEC incluyen receptáculos, lámparas y detectores de humo, entre otras cosas. Básicamente, cualquier punto donde se usa electricidad para alimentar algo es una toma de corriente.
A partir de enero de 2008, solo los AFCI de "tipo combinado" cumplen con el requisito de NEC. El NEC 2008 requiere la instalación de AFCI de tipo combinado en todos los circuitos residenciales de 15 y 20 amperios, con la excepción de lavanderías, cocinas, baños, garajes y sótanos sin terminar, aunque muchos de estos requieren protección GFCI. El NEC 2014 agrega cocinas y salas de lavandería a la lista de salas que requieren circuitos AFCI, así como cualquier dispositivo (como iluminación) que requiera protección. [7]
230 V países [ editar ]
En el Reino Unido, la edición de 2018 de las regulaciones de cableado es la primera edición que menciona los dispositivos de falla de arco e indica que pueden instalarse si el diseño tiene un riesgo inusualmente alto de incendio por fallas de arco. Los anexos relacionados con las pruebas indican que cuando se instalan los AFDD, se debe verificar su funcionamiento correcto antes de la finalización, pero no se describe el método de prueba. Esto contrasta con los RCD donde se debe verificar un número de tiempos de disparo a diferentes niveles de corriente de falla. [8] Las normas de cableado alemanas VDE 100, recomiendan los AFDD para situaciones de alto riesgo, y enumera los hogares de ancianos, centros comunitarios y jardines de infancia como ejemplos.
Las bocinas de arco (a veces las bocinas de arco ) son conductores proyectantes que se utilizan para proteger los aisladores o cambiar el hardware de los sistemas de transmisión de energía eléctrica de alto voltaje contra daños durante descargas eléctricas . Las sobretensiones en las líneas de transmisión, debido a la electricidad atmosférica , rayos o fallas eléctricas, pueden causar arcosa través de aisladores (flashovers) que pueden dañarlos. Alternativamente, las condiciones atmosféricas o transitorios que ocurren durante la conmutación pueden hacer que se forme un arco en el camino de ruptura de un interruptor durante su funcionamiento. Las bocinas de arco proporcionan una ruta para que se produzca el flashover que evita la superficie del dispositivo protegido. [1] Las bocinas normalmente están emparejadas a ambos lados de un aislante, una conectada a la parte de alto voltaje y la otra a tierra , o en el punto de ruptura de un contacto del interruptor. Con frecuencia se pueden ver en las cadenas de aisladores en las líneas aéreas o en la protección de los bujes de los transformadores .
Los cuernos pueden adoptar diversas formas, como varillas cilíndricas simples, anillos de protección circulares o curvas contorneadas, a veces conocidas como 'estribos'.
Fondo [ editar ]
Los equipos de alto voltaje , en particular los que se instalan en el exterior, como las líneas eléctricas aéreas , suelen estar sujetos a sobretensiones transitorias , que pueden ser causadas por fenómenos tales como rayos , fallas en otros equipos o sobretensiones durante la recarga del circuito. [2] Los eventos de sobretensión como estos son impredecibles y, en general, no se pueden prevenir por completo. Las terminaciones de línea, en las que una línea de transmisión se conecta a una barra colectora o buje de transformador, tienen un mayor riesgo de sobretensión debido al cambio en la impedancia característica en este punto. [3]
Un aislante eléctrico sirve para proporcionar la separación física de las partes conductoras y, en condiciones normales de funcionamiento, está continuamente sujeto a un campo eléctrico elevado que ocupa el aire que rodea el equipo. Los eventos de sobretensión pueden hacer que el campo eléctrico exceda la resistencia dieléctrica del aire y provoque la formación de un arco entre las partes conductoras y sobre la superficie del aislante. [1] Esto se llama flashover. La contaminación de la superficie del aislante reduce la resistencia a la ruptura y aumenta la tendencia a destellar. En un sistema de transmisión eléctrica, se espera que los relés de protección detecten la formación del arco y se abran automáticamentedisyuntores para descargar el circuito y extinguir el arco. En el peor de los casos, este proceso puede tomar hasta varios segundos, tiempo durante el cual la superficie del aislador estaría en contacto cercano con el plasma altamente energético del arco. Esto es muy dañino para un aislante y puede romper discos frágiles de vidrio o cerámica, resultando en una falla total.
Operación [ editar ]
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Las bocinas de arco forman una brecha de chispa a través del aislante con un voltaje de ruptura más bajo que la trayectoria del aire a lo largo de la superficie del aislador, por lo que una sobretensión hará que el aire se rompa y se forme un arco entre las bocinas de arco, desviándolo de la superficie de El aislante. [3] Un arco entre las bocinas es más tolerable para el equipo, lo que proporciona más tiempo para que se detecte la falla y el arco se elimine de manera segura mediante interruptores de circuito remotos. La geometría de algunos diseños alienta al arco a migrar lejos del aislante, impulsado por las corrientes ascendentes a medida que calienta el aire circundante. Al hacerlo, la longitud del camino aumenta, enfría el arco, reduce el campo eléctrico y hace que el arco se extinga cuando ya no puede atravesar el espacio. Otros diseños pueden utilizar elcampo magnético producido por la alta corriente para alejar el arco del aislador. [4] Este tipo de disposición puede conocerse como un escape magnético .
Los criterios de diseño y los regímenes de mantenimiento pueden tratar los cuernos de arco como un equipo de sacrificio, más barato y más fácil de reemplazar que el aislante, cuya falla puede resultar en la destrucción completa del equipo que aísla. La falla de las cuerdas del aislador en las líneas aéreas podría resultar en la separación de la línea, con importantes implicaciones de seguridad y costo.
Por lo tanto, los cuernos de arco juegan un papel en el proceso de correlacionar la protección del sistema con las características del dispositivo de protección, conocido como coordinación de aislamiento . Las bocinas deben proporcionar, entre otras características, una impedancia casi infinita durante las condiciones normales de operación para minimizar las pérdidas de corriente conductiva, baja impedancia durante la descarga y resistencia física a la alta temperatura del arco. [5]
A medida que aumentan los voltajes de operación, se debe tener mayor consideración a tales principios de diseño. A voltajes medios, se puede omitir uno de los dos cuernos, ya que la brecha de bocina a bocina puede ser lo suficientemente pequeña como para ser puenteada por un pájaro que baja. [6] Alternativamente, se pueden instalar espacios dúplex que consisten en dos secciones en lados opuestos del aislante. [3] Los sistemas de distribución de bajo voltaje, en los que el riesgo de arco eléctrico es mucho menor, pueden no usar cuernos de arco en absoluto.
La presencia de los cuernos de arco perturba necesariamente la distribución normal del campo eléctrico a través del aislador debido a su capacitancia pequeña pero significativa . Más importante aún, una descarga instantánea a través de las bocinas de arco produce una falla a tierra que resulta en una interrupción del circuito hasta que la falla se solucione mediante la operación del interruptor automático. Por esta razón, las resistencias no lineales conocidas como varistores pueden reemplazar las bocinas de arco en ubicaciones críticas. [3]
Protección de interruptor [ editar ]
Las bocinas de arco a veces se instalan en interruptores y transformadores aislados con aire para proteger el brazo del interruptor del daño del arco. Cuando un interruptor de alto voltaje rompe un circuito, se puede establecer un arco entre los contactos del interruptor antes de que se pueda interrumpir la corriente . Las bocinas están diseñadas para soportar el arco en lugar de las superficies de contacto del interruptor en sí. [7] [8]
Corona y anillos de clasificación [ editar ]
Las bocinas de arco no deben confundirse con los anillos de corona (o los anillos de clasificación similares) que son conjuntos en forma de anillo que rodean los conectores u otras piezas de hardware irregulares en equipos de alto potencial. Los anillos de corona y los anillos de clasificación están destinados a igualar y redistribuir el potencial acumulado lejos de los componentes que podrían estar sujetos a la acumulación local y descargas destructivas, aunque a veces cualquiera de los dispositivos puede instalarse cerca de un conjunto de bocina de arco.
Los choppers de frenado , a veces también denominados unidades de frenado , se utilizan en los circuitos intermedios de voltaje de CC de los convertidores de frecuencia para controlar el voltaje cuando la carga alimenta energía al circuito intermedio. Esto surge, por ejemplo, cuando un motor magnetizado está girando por una carga de revisión y funciona como un generador que alimenta el circuito intermedio de voltaje de CC. [1] [2] Son una aplicación del principio chopper , que utiliza el control de encendido y apagado de un dispositivo de conmutación.
Operación [ editar ]
Un chopper de frenado es un interruptor eléctrico que limita el voltaje del bus de CC al cambiar la energía de frenado a una resistencia donde la energía de frenado se convierte en calor. Los choppers de frenado se activan automáticamente cuando el voltaje real del bus de CC excede un nivel específico dependiendo del voltaje nominal del variador de frecuencia
Beneficios [ editar ]
- Construcción eléctrica simple y tecnología conocida.
- Baja inversión fundamental para chopper y resistencia .
- El chopper funciona incluso si se pierde el suministro de CA. Puede ser necesario frenar durante la pérdida de energía principal. Por ejemplo, en elevadores u otras aplicaciones relacionadas con la seguridad.
Inconvenientes [ editar ]
- La energía de frenado se desperdicia si no se puede utilizar el aire calentado.
- El chopper de frenado y las resistencias requieren espacio adicional.
- Puede requerir inversiones adicionales en el sistema de enfriamiento y recuperación de calor.
- Los choppers de frenado se dimensionan normalmente para un determinado ciclo, por ejemplo, 100% de potencia 1/10 minutos, los tiempos de frenado largos requieren un dimensionamiento más preciso del chopper de frenado.
- Mayor riesgo de incendio debido a la resistencia al calor y posibles componentes de polvo y químicos en el espacio de aire ambiente.
- El aumento del nivel de voltaje del bus de CC durante el frenado causa tensión de voltaje adicional en el aislamiento del motor.
Aplicaciones [ editar ]
Los helicópteros de frenado son inapropiados cuando:
- El ciclo de frenado es necesario solo ocasionalmente.
- La cantidad de energía de frenado con respecto a la energía del motor es extremadamente pequeña.
- El aire ambiental incluye cantidades sustanciales de polvo u otros componentes potencialmente combustibles o explosivos o metálicos.
Los helicópteros de frenado son apropiados cuando:
- El frenado es continuo o se repite regularmente.
- La cantidad total de energía de frenado es alta con respecto a la energía de motor necesaria.
- La potencia de frenado instantánea es alta, por ejemplo, varios cientos de kW durante varios minutos.
- La operación de frenado es necesaria durante la pérdida de potencia principal.
Flujo de frenado [ editar ]
El frenado por flujo es otro método, basado en las pérdidas del motor , para manejar una carga de sobrerrevolucionado. Cuando se necesita frenar en el sistema de accionamiento, aumenta el flujo del motor y, por lo tanto, también el componente de corriente de magnetización utilizado en el motor. El control del flujo se puede lograr fácilmente a través del principio de control de par directo . Con DTC, el inversor se controla directamente para lograr el par y el flujo deseados para el motor. Durante el frenado por flujo, el motor está bajo control DTC, lo que garantiza que el frenado se puede realizar de acuerdo con la rampa de velocidad especificada. Esto es muy diferente al frenado por inyección de CC.típicamente utilizado en unidades de disco. En el método de inyección de CC, se inyecta corriente de CC al motor para que se pierda el control del flujo del motor durante el frenado. El método de frenado de flujo basado en DTC permite que el motor cambie rápidamente de potencia de frenado a potencia de motor cuando se solicita.
En el frenado por flujo, el aumento de corriente significa mayores pérdidas dentro del motor. Por lo tanto, la potencia de frenado también aumenta aunque la potencia de frenado suministrada al convertidor de frecuencia no aumenta. El aumento de la corriente genera mayores pérdidas en las resistencias motoras. Cuanto mayor sea el valor de resistencia, mayor será la disipación de energía de frenado dentro del motor. Típicamente, en motores de baja potencia (por debajo de 5 kW) el valor de resistencia del motor es relativamente grande con respecto a la corriente nominal del motor. Cuanto mayor sea la potencia o el voltaje del motor, menor será el valor de resistencia del motor con respecto a la corriente del motor. En otras palabras, el frenado por flujo es más efectivo en un motor de baja potencia.
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