HUANCAYO – PERÚ2015
“AÑO DE LA DIVERSIFICACIÓN PRODUCTIVA Y DEL FORTALECIMIENTO DE LA EDUCACIÓN”
CÁTEDRA : PROTECCIÓN DE SISTEMAS DE POTENCIA
CATEDRÁTICO : Ing. PEDRO TORRES MAYTA
ESTUDIANTE : CHOQUEHUANCA CHAMORRO; JENNER
INTERRUTORES Y RELES EN SISTEMAS DE PROTECCIÓN
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INTERRUPTORES Y RELESINTERRUPTORES Y RELES
DEDICATORIA
A nuestros padres por el apoyo incondicional que nos brindan día a día, a los ingenieros, quienes nos van formando académicamente para ser en el futuro ingenieros de éxito.
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PRESENTACIÓNDurante estos últimos 100 años, la electricidad se ha convertido en la forma de
energía más rentable, flexible y fiable del mundo, es sinónimo de desarrollo y
progreso para los países, y comodidad para la sociedad, de una u otra forma la
demanda global de la energía eléctrica va en aumento. Con ello se ha obligado
a tener una infraestructura que permita suministrar de forma segura y eficiente
la energía eléctrica, pero el desarrollo es cada vez mayor y la necesidad de
introducir equipo nuevo supone nuevos retos de operación.
Lo anterior ha obligado a empresas tanto de tipo gubernamental como del
sector privado a invertir en una infraestructura capaz de cumplir con la
demanda creciente de energía, ya sea actualizando su equipo obsoleto o
realizando planes de mantenimiento para prolongar la vida útil de estos. Se han
visto en la necesidad de mejorar o construir líneas nuevas de alta tensión para
el transporte de la energía, desde las grandes centrales generadoras hasta los
centros de consumo, pasando por las grandes subestaciones de potencia, ya
sean elevadoras o reductoras aprovechando las nuevas tecnologías.
Estas tecnologías se han visto reflejadas en los diversos equipos, incluyendo a
los interruptores y reles de potencia, que forman parte del control y
funcionamiento seguro de cualquier red eléctrica, cuya función es asegurar el
flujo continuo de corriente en condiciones normales de operación. Son
necesarios en las centrales generadoras de energía, donde se ha de poder
conectar y desconectar toda la potencia generada, de igual forma se utilizan en
las redes de transmisión y distribución en las que es preciso controlar
corrientes muy altas y altos niveles de tensión. En el caso de falla los
interruptores son capaces de interrumpir dicho flujo de energía aislando el
elemento de falla, protegiendo al resto del equipo y al personal en servicio,
evitando consecuencias mayores.
La necesidad de inventar y mejorar equipos para la conexión y desconexión de
redes eléctricas capaces de establecer e interrumpir el flujo de corriente, hizo
surgir los primeros diseños de interruptores, los cuales fueron muy
rudimentarios y estaban basados en conocimientos empíricos. Estos diseños
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fueron mejorando en función del crecimiento de los sistemas eléctricos,
obligando a los diseñadores incluir el uso de herramientas sofisticadas para
poder logra interruptores más confiables y de mayor capacidad.
Para que el interruptor realice con éxito sus funciones es necesario que cuente
con dos cosas, un buen diseño mecánico que ha de cumplir con los
requerimientos de apertura y cierre de sus contactos en tiempo y forma, y
también debe de contar con un buen diseño eléctrico para asegurar que el
interruptor soporte esfuerzos eléctricos y térmicos a los que es sometido en su
vida de operación.
Cada vez es más complejo diseñar interruptores y relés de potencia, conforme
se incrementan las corrientes de falla, las tensiones y al mismo tiempo cuando
se trata de reducir los tiempos de liberación de la falla, este último
requerimiento es para mantener una estabilidad adecuada en el sistema
eléctrico, además de que deben de cumplir con ciertos requisitos y normas.
Por otra parte se ha avanzado mucho en investigaciones con respecto a
interruptores y se han desarrollado nuevas tecnologías donde el uso de
programas de computadora han permitido clarificar el comportamiento del arco
eléctrico durante la interrupción del mismo, esto mediante diseño de modelos y
combinando diferentes ramas de la ciencia como la dinámica de fluidos y la
termodinámica. Para el propósito de mejoras se utilizan programas de diseño
asistido por computadora en el análisis del comportamiento eléctrico y
mecánico de los interruptores.
Adicionalmente se ha abierto un mercado muy amplio en la demanda de
interruptores y relés con forme a las diferentes necesidades de operación, esto
en pro de enfrentar la creciente demanda de los sistemas de potencia, para
logarlo están diseñando nuevas generaciones de interruptores con grandes
estándares en el mercado haciendo cumplir requerimientos de análisis, diseño,
medición y pruebas.
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OBJETIVOEl objetivo principal de este trabajo, es proporcionar una amplia información
relacionada con los sistemas eléctricos de potencia y en especial con el equipo
que está en relación, como en este caso son los interruptores y relés de
potencia localizados en la grandes subestaciones eléctricas donde ahora es
muy común que los estudiantes en especial los de ingeniería tengan acceso a
través de visitas guiadas, el servicio social y prácticas profesionales.
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RELÉS
El relé o relevador es un dispositivo electromecánico. Funciona como un
interruptor controlado por un circuito eléctrico en el que, por medio de una
bobina y un electroimán, se acciona un juego de uno o varios contactos que
permiten abrir o cerrar otros circuitos eléctricos independientes. Fue inventado
por Joseph Henry en 1835.
Dado que el relé es capaz de controlar un circuito de salida de mayor potencia
que el de entrada, puede considerarse, en un amplio sentido, como un
amplificador eléctrico. Como tal se emplearon en telegrafía, haciendo la función
de repetidores que generaban una nueva señal con corriente procedente de
pilas locales a partir de la señal débil recibida por la línea. Se les llamaba
“relevadores”. De ahí “relé".
1. DESCRIPCIÓNEn la Figura 2 se representa, de forma esquemática, la disposición de los
distintos elementos que forman un relé de un único contacto de trabajo o
circuito. En la Figura 3 se puede ver su funcionamiento y cómo conmuta al
activarse y desactivarse su bobina.
Figura 1.- Relé enchufable para pequeñas potencias.
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Figura 2.- Partes de un relé.
2. ESTRUCTURAEl electroimán hace bascular la armadura al ser excitada, cerrando los
contactos dependiendo de si es N.A ó N.C (normalmente abierto o
normalmente cerrado). Si se le aplica un voltaje a la bobina se genera un
campo magnético, que provoca que los contactos hagan una conexión.
Estos contactos pueden ser considerados como el interruptor, que permite
que la corriente fluya entre los dos puntos que cerraron el circuito.
Figura 3.- Funcionamiento de un relé
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3. TIPOS DE RELÉSExisten multitud de tipos distintos de relés, dependiendo del número de
contactos, de su intensidad admisible, del tipo de corriente de
accionamiento, del tiempo de activación y desactivación, entre otros.
Cuando controlan grandes potencias se llaman contactores en lugar de
relés.
3.1. RELÉS ELECTROMECÁNICOS
Relés de tipo armadura: pese a ser los más antiguos siguen siendo lo más
utilizados en multitud de aplicaciones. Un electroimán provoca la
basculación de una armadura al ser excitado, cerrando o abriendo los
contactos dependiendo de si es NA (normalmente abierto) o NC
(normalmente cerrado).
Relés de núcleo móvil: a diferencia del anterior modelo estos están
formados por un émbolo en lugar de una armadura. Debido a su mayor
fuerza de atracción, se utiliza un solenoide para cerrar sus contactos. Es
muy utilizado cuando hay que controlar altas corrientes
Relé tipo reed o de lengüeta: están constituidos por una ampolla de vidrio,
con contactos en su interior, montados sobre delgadas láminas de metal.
Estos contactos conmutan por la excitación de una bobina, que se
encuentra alrededor de la mencionada ampolla.
Relés polarizados o biestables: se componen de una pequeña armadura,
solidaria a un imán permanente. El extremo inferior gira dentro de los polos
de un electroimán, mientras que el otro lleva una cabeza de contacto. Al
excitar el electroimán, se mueve la armadura y provoca el cierre de los
contactos. Si se polariza al revés, el giro será en sentido contrario, abriendo
los contactos ó cerrando otro circuito.
Relés multitensión: son la ultima generación de relés que permiten por
medio de un avance tecnológico en el sistema electromagnético del relé
desarrollado y patentado por Relaygo, a un relé funcionar en cualquier
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tensión y frecuencia desde 0 a 300 AC/DC reduciendo a un solo modelo las
distintas tensiones y voltajes que se fabricaban hasta ahora.
Figura 4.-Regleta con relés.
3.2. RELÉ DE ESTADO SÓLIDO
Se llama relé de estado sólido a un circuito híbrido, normalmente
compuesto por un optoacoplador que aísla la entrada, un circuito de
disparo, que detecta el paso por cero de la corriente de línea y un triac o
dispositivo similar que actúa de interruptor de potencia. Su nombre se debe
a la similitud que presenta con un relé electromecánico; este dispositivo es
usado generalmente para aplicaciones donde se presenta un uso continuo
de los contactos del relé que en comparación con un relé convencional
generaría un serio desgaste mecánico, además de poder conmutar altos
amperajes que en el caso del relé electromecánico destruirían en poco
tiempo los contactos. Estos relés permiten una velocidad de conmutación
muy superior a la de los relés electromecánicos.
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3.3. RELÉ DE CORRIENTE ALTERNA
Cuando se excita la bobina de un relé con corriente alterna, el flujo
magnético en el circuito magnético, también es alterno, produciendo una
fuerza pulsante, con frecuencia doble, sobre los contactos. Es decir, los
contactos de un relé conectado a la red, en algunos lugares, como varios
países de Europa y Latinoamérica oscilarán a 2 x 50 Hz y en otros, como en
Estados Unidos lo harán a 2 x 60 Hz. Este hecho se aprovecha en algunos
timbres y zumbadores, como un activador a distancia. En un relé de
corriente alterna se modifica la resonancia de los contactos para que no
oscilen.
3.4. RELÉ DE LÁMINAS
Este tipo de relé se utilizaba para discriminar distintas frecuencias. Consiste
en un electroimán excitado con la corriente alterna de entrada que atrae
varias varillas sintonizadas para resonar a sendas frecuencias de interés. La
varilla que resuena acciona su contacto, las demás no. Los relés de láminas
se utilizaron en aeromodelismo y otros sistemas de telecontrol.
3.5. RELÉS DE ACCIÓN RETARDADA
Son relés que ya sea por particularidad de diseño o bien por el sistema de
alimentación de la bobina, permiten disponer de retardos en su conexión y/o
desconexión.
Relés con retardo a la conexión: El retardo a la conexión de relés puede
obtenerse mecánicamente aumentando la masa de la armadura a fin de
obtener mayor inercia del sistema móvil; o bien, aumentando la presión de
los resortes que debe vencer la fuerza de atracción del relé. También se
obtiene un efecto similar de retardo utilizando C.C. para alimentar al relé en
una de las dos siguientes formas:
Relé con resistor previo y capacitor en paralelo con la bobina: Cuando
se alimenta con C.C. al relé, el capacitor, hasta entonces descargado,
origina una intensa corriente de carga inicial la cual al atravesar al resistor
origina una apreciable caída en la tensión aplicada a la bobina,
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verificándose así un retraso a la conexión. Cabe aclarar que siempre que se
interrumpa la alimentación del relé el capacitor, descargándose sobre la
bobina, establecerá también un cierto retraso en la desconexión.
Relé de dos devanados con corriente en oposición: La disposición de
uno de estos relés se basa en la existencia de dos devanados conectados
en oposición; usualmente designados como principal y auxiliar, y que
poseen mayor y menor número de espiras respectivamente. Al aplicarse
tensión de C.C. la corriente se establece rápidamente en el devanado
auxiliar a la vez que con mucha mayor lentitud en el principal debido a la
marcada diferencia en la reactancia inductiva de cada uno (Debido al
diferente número de espiras que tiene cada uno) De esa manera y debido a
que el campo magnético que originan ambos devanados es opuesto, la
actuación del relé se producirá cuando la fuerza magnetomotriz -en gradual
aumento- del devanado principal sea superior a la del devanado auxiliar y la
presión de los resortes del relé, con lo que se obtiene el buscado retardo en
la conexión.
Relés con retardo a la desconexión: También es posible obtener retardo
a la desconexión por medios mecánicos -disminución de la presión de los
resortes del relé- aunque en la mayoría de los casos se recurre a alguno de
los sistemas que se indican a continuación:
Relé con capacitor en paralelo: Como su nombre lo indica, posee un
capacitor que por su condición en paralelo toda vez que se interrumpa la
alimentación de C.C. al relé considerado, la desconexión resultará
retardada por la descarga de dicho capacitor sobre la bobina, sistema con el
que se obtienen tiempos muy exactos y que en función de los valores de R
y C en consideración puede superar largamente un segundo. *Relé con
devanado adicional en cortocircuito: Estos disponen de dos devanados: uno
de ellos llamado principal o de accionamiento y otro adicional que se
encuentra cortocircuitado. Ya sea que el devanado principal sea conectado
o desconectado de la tensión de alimentación, la variación de flujo
consiguiente inducirá en el devanado adicional una corriente que
oponiéndose a la causa que la produce retarda a dicha variación, con lo que
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se produce así un retardo tanto a la conexión como a la desconexión del
relé.
Relé con devanado adicional controlado por contacto auxiliar: Estos
relés son absolutamente similares a los anteriores, con el único agregado
de un contacto auxiliar del propio relé encargado de conectar o desconectar
al devanado auxiliar.
Así el relé presentará un retardo a la desconexión o a la conexión según se
utilice un contacto auxiliar Normal Abierto o Normal Cerrado,
respectivamente.
3.6. RELÉS CON RETENCIÓN DE POSICIÓN
En este caso los relés poseen un diseño en el cual tienen remaches de
elevada remanencia colocados dentro de orificios practicados en el núcleo y
la armadura de los mismos, y en exacta coincidencia. Por estar
perfectamente rectificadas las caras polares en contacto al cerrar el circuito
magnético del relé quedará en esa posición -por remanencia magnética-
aunque la bobina se desconecte, retornando a la posición de reposo inicial
sólo cuando una corriente de sentido contrario vuelva a abrirlo.
Figura 6.-Diferentes tipos de relés.
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INTERRUPTORES
Un interruptor eléctrico es en su acepción más básica un dispositivo que
permite desviar o interrumpir el curso de una corriente eléctrica. En el mundo
moderno sus tipos y aplicaciones son innumerables, van desde un simple
interruptor que apaga o enciende una bombilla, hasta un complicado selector
de transferencia automático de múltiples capas, controlado por computadora.
Su expresión más sencilla consiste en dos contactos de metal inoxidable y el
actuante. Los contactos, normalmente separados, se unen mediante un
actuante para permitir que la corriente circule. El actuante es la parte móvil que
en una de sus posiciones hace presión sobre los contactos para mantenerlos
unidos.
1. MATERIALESDe la calidad de los materiales empleados para hacer los contactos
dependerá la vida útil del interruptor. Para la mayoría de los interruptores
domésticos se emplea una aleación de latón (60% cobre, 40% zinc). Esta
aleación es muy resistente a la corrosión y es un conductor eléctrico
apropiado. El aluminio es también buen conductor y es muy resistente a la
corrosión.
En los casos donde se requiera una pérdida mínima se utiliza cobre puro
por su excelente conductividad eléctrica.
El cobre bajo condiciones de condensación puede formar óxido de cobre en
la superficie interrumpiendo el contacto.
Para interruptores donde se requiera la máxima confiabilidad se utilizan
contactos de cobre pero se aplica un baño con un metal más resistente al
óxido como lo son el estaño, aleaciones de estaño/plomo, níquel, oro o
plata. La plata es de hecho mejor conductora que el cobre y además el
óxido de plata conduce electricidad
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2. CLASIFICACIÓN2.1 Actuantes
Los actuantes de los interruptores pueden ser normalmente abiertos, en
cuyo caso al accionarlos se cierra el circuito (el caso del timbre) o
normalmente cerrados en cuyo caso al accionarlos se abre el circuito.
2.2 Pulsadores
También llamados interruptores momentáneos. Este tipo de interruptor
requiere que el operador mantenga la presión sobre el actuante para que
los contactos estén unidos. Un ejemplo de su uso lo podemos encontrar en
los timbres de las casas o apartamentos.
2.3 Cantidad de polos
Son la cantidad de circuitos individuales que controla el interruptor. Un
interruptor de un solo polo como el que usamos para encender una
lámpara. Los hay de 2 o más polos. Por ejemplo si queremos encender un
motor de 220 voltios y a la vez un indicador luminoso de 12 voltios
necesitaremos un interruptor de 2 polos, un polo para el circuito de 220
voltios y otro para el de 12 voltios.
2.4 Cantidad de vías (tiros)
Es la cantidad de posiciones que tiene un interruptor. Nuevamente el
ejemplo del interruptor de una sola vía es el utilizado para encender una
lámpara, en una posición enciende la lámpara mientras que en la otra se
apaga. Los hay de 2 o más vías. Un ejemplo de un interruptor de 3 vías es
el que podríamos usar para controlar un semáforo donde se enciende una
bombilla de cada color por cada una de las posiciones o vías.
2.5 Combinaciones
Se pueden combinar las tres clases anteriores para crear diferentes tipos de
interruptores. En el gráfico inferior podemos ver un ejemplo de un interruptor
DPDT.
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3. CORRIENTE Y TENSIÓN Los interruptores están diseñados para soportar una corriente máxima, la
cual se mide en amperios. De igual manera, se diseñan para soportar una
determinada tensión máxima, que es medida en voltios.
Se debe seleccionar el interruptor apropiado para el uso que le vaya a dar,
pues de lo contrario se está acortando su vida útil o en casos extremos se
corre el riesgo de destruirlo.
Esquema de un interruptor para alto voltaje. Algunos pueden trabajar en líneas de 800 kV.
4. TIPOS DE INTERRUPTORES ELÉCTRICOS
El interruptor magnetotérmico o interruptor automático se
caracteriza por poseer dos tipos de protección incorporados, actuando
en caso de cortocircuito o en caso de sobrecarga de corriente. Este tipo
de interruptor se utiliza comúnmente en los cuadros eléctricos de
viviendas, comercios o industrias para controlar y proteger cada circuito
individualmente. Su empleo se complementa con el de interruptores
diferenciales.
Interruptor diferencial es un tipo de protección eléctrica destinada a
proteger a las personas de las derivaciones o fugas de corriente
causadas por faltas de aislamiento. Se caracterizan por poseer una alta
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sensibilidad (detectan diferencias de corriente orden de los mA) y una
rápida operación.
Reed switch es un interruptor encapsulado en un tubo de vidrio al vacío
que se activa al encontrar un campo magnético.
Interruptor centrífugo se activa o desactiva a determinada fuerza
centrífuga. Es usado en los motores como protección.
Interruptores de transferencia trasladan la carga de un circuito a otro
en caso de falla de energía. Utilizados tanto en subestaciones eléctricas
como en industrias.
Interruptor DIP viene del inglés ’’’dual in-line package’’’ en electrónica y
se refiere a una línea doble de contactos. Consiste en una serie de
múltiples micro interruptores unidos entre sí.
Hall-effect switch también usado en electrónica, es un contador que
permite leer la cantidad de vueltas por minuto que está dando un imán
permanente y entregar pulsos.
Interruptor inercial (o de aceleración) mide la aceleración o
desaceleración del eje de coordenadas sobre el cual esté montado. Por
ejemplo los instalados para disparar las bolsas de aire de los
automóviles. En este caso se deben instalar laterales y frontales para
activar las bolsas de aire laterales o frontales según donde el automóvil
reciba el impacto.
Interruptor de membrana (o burbuja) generalmente colocados
directamente sobre un circuito impreso. Son usados en algunos
controles remotos, los paneles de control de microondas, etc
Interruptor de nivel, usado para detectar el nivel de un fluido en un
tanque.
Sensor de flujo es un tipo de interruptor que está formado por un imán
y un reed switch.
Interruptor de mercurio usado para detectar la inclinación. Consiste en
una gota de mercurio dentro de un tubo de vidrio cerrado
herméticamente, en la posición correcta el mercurio cierra dos contactos
de metal.
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