Mediciones del Desplazamiento de Interruptores
LA CURVA DE DESPLAZAMIENTO
1.1 DESCRIPCIÓN
Durante las pruebas de tiempo de los interruptores, la medición de los tiempos de operación desde la primera aparición de la orden de disparo en la bobina de mando hasta la conmutación del contacto principal, se graba con un instrumento de medición de tiempos, tal como el CBA-32P de ZENSOL.
Esta medición ofrece una valiosa información del estado de los interruptores y permite, en la mayoría de los casos, la verificación precisa de la presencia o ausencia de anomalías. Pero esta información no revela todos los secretos de los interruptores. Otra información importante permanece escondida de nuestra vista.
Siempre que sea posible, se debe realizar una medición punto por punto del movimiento de los componentes internos del interruptor, desde el inicio del movimiento hasta que éste llega al reposo completo, se traza una curva llamada CURVA DE DESPLAZAMIENTO.
Aunque la curva de tiempo del contacto principal da el momento cuando empieza el movimiento y cuando se conmuta el contacto, la información contenida en la curva de desplazamiento es interesante porque nos permite seguir todo el movimiento de comienzo a fin.
1.2 OPERACIÓN EN LA APERTURA
Se muestra un ejemplo de una curva de desplazamiento para una operación de Apertura en la Figura 1.2, superpuesta con una curva de tiempo de apertura para el contacto principal (en rojo).
Figura 1.2 - Curva de desplazamiento para una operación de Apertura
La primera característica a verificar es observar la forma general de la curva; en ésta se ven tres Zonas (encerradas en un círculo en la Fig. 1.2) que merecen una atención particular.
1. La Zona A : El inicio del movimiento
2. La Zona B : La separación del contacto
3. La Zona C : Del inicio de la desaceleración hasta el final de la posición de reposo
1.2.1 ZONA A: EL INICIO DEL MOVIMIENTO
Aquí es donde empieza el movimiento. Es extremadamente importante saber si el movimiento ha comenzado en el momento correcto. Por ejemplo, un retraso con respecto a la especificación de referencia significa que existe un problema eléctrico si la bobina no es excitada a tiempo, o podría existir un problema mecánico entre el mecanismo de mando que envía la orden del movimiento y el contacto móvil del propio interruptor.
1.2.2 ZONA B: SEPARACIÓN DE LOS CONTACTOS
Aquí es donde se separan los contactos principales uno del otro. En este preciso instante, el arco empieza a formarse y el interruptor implementa sus medidas para extinguirlo. La velocidad de separación se convierte en un factor importante y primordial a fin de lograr la ruptura del circuito.
El método para calcular la velocidad promedio en esta zona depende del diseñador del interruptor. Solamente el diseñador puede determinar el método de cálculo y establecer la especificación de referencia.
1.2.3 ZONA C: DESACELERACIÓN
Aquí es donde el movimiento se desacelera hasta que el contacto móvil del interruptor se detiene completamente.
La cantidad de energía requerida en el proceso de ruptura es proporcional a la intensidad de la corriente a interrumpir. Una vez que la corriente ha sido interrumpida y el arco ha sido extinguido, la energía desarrollada es bastante grande.
Se ponen en acción medios eficaces de amortiguamiento para absorber este exceso de energía y así reducir el riesgo de dañar los componentes internos del interruptor. El análisis de esta zona hace posible determinar si el amortiguamiento es óptimo, lo que significa que el movimiento se detiene gradualmente.
Un insuficiente amortiguamiento, o underdamping, hace que las partes móviles experimenten choques al final del viaje, los cual ocasiona un daño severo.
Un amortiguamiento repentino, donde la energía cinética desarrollada por las partes móviles del interruptor se absorbe en un tiempo muy pequeño, ocasiona un daño semejante a un underdamping. Este fenómeno es llamado overdamping.
1.3 OPERACIÓN EN EL CIERRE
En la Figura 1.3 se muestra un ejemplo de una curva de desplazamiento para una operación de Cierre, superpuesto con una curva de tiempo para el contacto principal (en rojo).
Figura 1.3 - Curva de desplazamiento para una operación de Cierre
La primera característica a verificar es observar la forma general de la curva; en ésta se ven tres Zonas (encerradas en un círculo en la Fig. 1.3) que merecen una atención particular.
1. La Zona A : El inicio del movimiento
2. La Zona B : El cierre de los contactos
3. La Zona C : Del inicio de la desaceleración hasta el final de la posición de reposo
1.3.1 ZONA A: EL INICIO DEL MOVIMIENTO
Como en el caso de la curva del desplazamiento de apertura, aquí es donde el movimiento empieza, y es muy importante conocer si el movimiento se ha iniciado en el lugar correcto.
1.3.2 ZONA B: CIERRE DE LOS CONTACTOS
Aquí es donde los contactos principales entran en contacto. En esta zona, también llamada la zona de pre-arco, como los contactos están más cerca uno del otro, el dieléctrico, que es una función de la distancia de la separación, se hace insuficiente y se forma una corriente de pre-arco dentro de un arco, cuya duración está en función de la velocidad de los contactos.
Por lo tanto, la velocidad de los contactos es un factor importante para limitar el desgaste prematuro de los contactos.
Como en el caso para la operación de apertura, el método para el cálculo de la velocidad promedio en esta zona también está determinado por el diseñador del interruptor. Solamente el diseñador puede determinar este método de cálculo y establecer la especificación de referencia.
1.3.3 ZONA C: DESACELERACIÓN
Aquí es donde el movimiento se reduce lentamente hasta llegar a una parada completa de los contactos móviles del interruptor.
La energía necesaria para el proceso de cierre es menor que la desarrollada en el proceso de ruptura, pero sin embargo ésta es considerable.
El exceso de energía se traduce en una sobrecarrera del recorrido, lo cual, si excede las tolerancias, podría causar un severo daño al dispositivo.
1.4 CURVA DE VELOCIDAD
Se calcula una curva de velocidad por la derivada de la curva del desplazamiento, usando un software de análisis como el CBAWin. La curva de velocidad da la velocidad como una función del tiempo, lo cual nos permite adquirir nueva información sobre el comportamiento dinámico del interruptor.
1.5 CURVA DE ACELERACIÓN
De la misma manera, se puede trazar una curva de aceleración, como la derivada de la curva de velocidad, otra vez usando el software de análisis CBA Win, el cual nos brinda más datos útiles.
REALIZANDO LA MEDICIÓN
Para grabar la curva de desplazamiento, se necesita algún tipo de montaje entre el equipo CBA32P de ZENSOL y el interruptor. Se usa un transductor de desplazamiento para percibir el movimiento del contacto móvil. El software CBA Win procesa los datos, traza la curva de desplazamiento y ejecuta los diversos cálculos de velocidad. Para comprender el proceso se muestra una breve descripción del transductor, del interruptor y del CBA-32P.
2.1 TRANSDUCTOR DE DESPLAZAMIENTO
2.1.1 DESCRIPCIÓN
El transductor de desplazamiento en su forma más elemental consta de una parte fija y de una parte móvil. La parte móvil está sujeta al contacto móvil del interruptor bajo prueba, y se mueve con los contactos, mientras que la parte fija sirve de referencia.
Hay varios tipos de transductores disponibles en el mercado. Se diferencian por el método usado para identificar al valor relativo con respecto al valor de referencia. Algunos ejemplos de transductores son:
- Transductor Magnético
- Transductor Óptico
- Transductor Resistivo
- etcétera.
El más popular de ellos es el transductor resistivo, el que será descrito en detalle. Este tipo de transductor está compuesto de una resistencia y de un cursor que se mueve a lo largo de ella. Hay dos tipos de transductores resistivos:
- El transductor de desplazamiento lineal, o transductor lineal (Fig. 2.11a)
- El transductor de desplazamiento rotativo, o transductor rotativo (Fig. 2.11b)
La diferencia radica en la forma física de la resistencia de referencia y en la manera como se mueve el cursor.
Figura 2.11a - Transductor lineal
Para el transductor lineal, el desplazamiento del cursor es lineal, en una línea recta, mientras que para el transductor rotativo el desplazamiento es una rotación alrededor de un eje.
Figura 2.11b - Transductor rotativo
2.1.2 OPERACIÓN
El transductor está sólidamente unido al soporte del interruptor automático, mientras que el cursor móvil está sólidamente unido al brazo de control del contacto móvil.
Se conecta una fuente fija de voltaje conocido (E) a los terminales (1) y (3). Cuando el interruptor está en la posición CERRADA, el voltaje leído entre los terminales (2) y (3) es (V1). A medida que el contacto móvil se desplaza hacia la posición ABIERTA, el voltaje medido (Vt) entre los terminales (2) y (3) decrece como una función del tiempo, hasta un valor (V2), el cual es menor que (V1) que es cuando el interruptor ha parado completamente.
Figura 2.1.2 Operación del transductor de desplazamiento
2.2 EL INTERRUPTOR
2.2.1 DESCRIPCIÓN
Un interruptor de alta tensión consta de dos partes principales:
1. Sección Activa (potencia eléctrica)
2. Sección de Mando
La Sección Activa debe establecer o interrumpir la corriente de alimentación en el circuito de alta tensión donde está instalado el interruptor. La Sección de Mando debe desarrollar la energía necesaria para ejecutar estas operaciones.
El enlace entre la sección de mando y la sección activa es usualmente una varilla aislada, como la mostrada en rojo en el esquema de la Figura 2.2.1.
Figura 2.2.1 Principio del interruptor
2.2.2 SECCIÓN ACTIVA
Esta parte está generalmente constituida de tres fases de igual tamaño. Cada fase está compuesta de un montaje para el contacto fijo y uno para el contacto móvil. Cuando los dos montajes entran en contacto, se dice que el interruptor está CERRADO, así fluye la corriente a través del circuito de alimentación eléctrica.
Para interrumpir el flujo de corriente en el circuito de fuerza, el montaje del contacto móvil se mueve mecánicamente fuera del montaje del contacto fijo y se detiene a una distancia suficiente para asegurar el aislamiento eléctrico.
Figura 2.2.2 - Sección de fuerza del interruptor
2.2.3 SECCIÓN DE MANDO
Esta sección tiene la tarea de crear la energía requerida para ejecutar la operación mecánica del interruptor, para las operaciones de Apertura y Cierre.
Tres tipos de mandos son los más usados en los interruptores de alta tensión:
- Neumático
- Hidráulico
- Mecánico accionado por resortes
2.2.3.1 MANDO NEUMÁTICO
Usualmente se encuentra en los interruptores de aire comprimido. Este tipo de mando usa aire comprimido como un medio dieléctrico y contactos móviles del tipo de pistón.
Una serie de válvulas activadas en una secuencia precisa permite la aplicación de presión de aire en un lado del pistón, el cual ocasiona su movimiento posterior por la acción de la diferencia de presión entre los lados opuestos del pistón. El movimiento de los contactos móviles generalmente no es accesible en este tipo de interruptores, y con el uso de transductores convencionales esto es casi imposible.
2.2.3.2 MANDO HIDRÁULICO
Este tipo de mando tiene un reservorio de energía, o un acumulador de nitrógeno comprimido o de resortes comprimidos por una bomba y por fluido hidráulico. El contacto móvil del interruptor está sujeto al pistón por una varilla aislada.
Un juego de válvulas hidráulicas permite la aplicación de la presión previamente acumulada a un lado o al otro del brazo hidráulico, el cual mueve a éste y al contacto en la dirección deseada.
Figura 2.2.32 - Mando Hidráulico
2.2.3.3 MANDO MECÁNICO ACCIONADO POR RESORTES
Este tipo de mando es el de mayor demanda por su confiabilidad comprobada y también por su muy baja frecuencia de mantenimientos periódicos.
Consta usualmente de dos resortes comprimidos, uno usado para acumular la energía necesaria para cerrar el interruptor y el otro para almacenar energía para abrir el interruptor.
El resorte de cierre (E) se comprime manualmente usando una palanca, o eléctricamente usando un motor. Un mecanismo de bloqueo mantiene y controla la energía acumulada en el resorte de cierre.
Cuando se libera esta energía al liberar al resorte de cierre, el contacto móvil se mueve hacia el contacto fijo a través de varillas conectoras, mientras que simultáneamente se carga el resorte de apertura el cual mantiene la energía acumulada con su propio mecanismo de bloqueo, listo para ser liberado en la próxima orden de apertura.
Figura 2.2.33 - Mando mecánico accionado por resortes
2.3 SELECCIÓN DEL TRANSDUCTOR
La meta es reproducir el movimiento exacto del contacto móvil en la cámara del interruptor, la cual es usualmente inaccesible porque todo el montaje está dentro de un contenedor cerrado. Aunque el desplazamiento final de este contacto móvil es siempre lineal, el movimiento inicial generado por el mecanismo de mando no es siempre así.
El movimiento generado por el mecanismo de mando puede ser rotativo, el cual se traduce a un movimiento lineal por medio de un juego de palancas y varillas conectoras.
Cuando el movimiento lineal del contacto es accesible indirectamente, por ejemplo a través de una varilla de conexión, un transductor lineal puede reproducir de manera precisa este movimiento sujetándolo a la varilla en cuestión. En la Figura 2.3a, se muestra un ejemplo de un movimiento lineal sensado por un transductor lineal (en el caso de un movimiento accesible).
Figura 2.3a - Ejemplo de transductor Lineal
En el caso donde solo es accesible el movimiento de mando, y si este movimiento es rotativo, el movimiento final del contacto móvil se mide transformando este movimiento rotativo usando varias palancas y conectando varillas de diferentes tamaños.
Los tamaños de las palancas añaden factores multiplicadores que influencian la curva deseada, en vista que el movimiento angular de estas palancas es siempre el mismo. En este caso, el uso de transductores rotativos dará mejores resultados.
Sin embargo, debe tener en cuenta una condición. Se debe dibujar una curva de la traducción del movimiento punto por punto, para convertir el movimiento angular en uno lineal.
Un ejemplo del uso de un transductor rotativo se muestra en la Figura 2.3b.
Figura 2.3b - Ejemplo del uso de transductores rotativos
2.4 ADQUISICIÓN Y PRESENTACIÓN VISUAL DE RESULTADOS
La adquisición y la representación visual de los resultados se realiza a través de los canales de entradas analógicas del CBA-32P.
Cada canal analógico tiene tres terminales numerados (1), (2), y (3) en el enchufe correspondiente.
Entre los terminales (1) y (3), se genera una señal de 10 voltios DC durante la prueba. Se mide la señal recogida del transductor de desplazamiento entre (2) y (3), y se transmite al software de análisis CBA Win©, el cual dibuja la curva en la pantalla de la computadora.
La Figura 2.4b muestra un ejemplo del reporte gráfico de CBA Win©, tal y como se muestra en la pantalla de computadora.
Figura 2.4a - Instrumento CBA-32P de Zensol
Figura 2.4b - Reporte gráfico de CBA Win©
2.5 CURVA DE DESPLAZAMIENTO
La curva de desplazamiento se dibuja generalmente con la unidad de medida (milímetros, mm.) en el eje vertical y el tiempo en milisegundos en el eje horizontal. La Figura 2.5 muestra ejemplos de curvas de desplazamiento para operaciones de cierre y de apertura.
Figura 2.5 - Ejemplos de curvas de desplazamiento por operaciones de Cierre y de Apertura
2.5.1 VELOCIDAD
Un parámetro importante en la operación de los interruptores de alta tensión es la velocidad de los contactos en la apertura, como en el cierre. La curva de desplazamiento también sirve para el cálculo de la velocidad de los contactos en un momento específico, o la velocidad instantánea, o puede servir para calcular la velocidad promedio para un intervalo de tiempo predeterminado, o velocidad promedia.
2.5.2 CURVAS DE VELOCIDADES INSTANTÁNEAS
El software CBA Win dibuja una curva con las velocidades instantáneas calculadas derivando los datos de la curva de desplazamiento. En la figura siguiente se muestra un ejemplo de la derivación de una señal de desplazamiento (en verde) que produjo una curva mostrando la evolución de la velocidad de desplazamiento (en naranja).
2.5.3 VELOCIDAD PROMEDIO
La velocidad buscada usualmente es el instante en que el interruptor hace contacto (en el Cierre) o se abre (en la Apertura). Sin embargo, como es difícil obtener una velocidad consistente para cada operación, es mejor calcular una velocidad promedio sobre un intervalo de tiempo antes y después de este punto.
El método para el cálculo exacto debe obtenerse del fabricante de los interruptores para que los valores medidos puedan ser comparados con la especificación de referencia del fabricante.
2.5.4 EJEMPLO DE CÁLCULO DE LA VELOCIDAD PROMEDIO PARA UNA OPERACIÓN DE APERTURA
Para calcular la velocidad promedio en la Apertura, se debe determinar el punto A en la curva de desplazamiento, el cual es el momento exacto en que los contactos principales se separan. Se determina el punto B añadiendo dT milisegundos (ms) al tiempo del Punto A.
Valor del eje de Desplazamiento del punto A = YA mm
Valor del eje de Tiempo del punto A = XA ms
Valor del eje de Desplazamiento del punto B = YB mm
Valor del eje de Tiempo del punto B = XB ms
La velocidad promedio en la Apertura, en metros por segundo (m/s), se calcula usando la siguiente fórmula:
En este caso XB-XA = dT = 100 ms
YA-YB = dY = 223.71 mm, así:
2.5.5 EJEMPLO DE CÁLCULO DE LA VELOCIDAD PROMEDIO PARA OPERACIÓN DE CIERRE
Para calcular la velocidad promedio para una operación de Cierre, se debe determinar el punto A en la curva de desplazamiento, el cual es el exacto momento donde los contactos principales hacen contacto. Se halla el punto B sustrayendo dT milisegundos (ms) del tiempo del punto A.
Valor del eje de Desplazamiento del punto A = YA mm
Valor del eje de Tiempo del punto A = XA ms
Valor del eje de Desplazamiento del punto B = YB mm
Valor del eje de Tiempo del punto B = XB ms
La velocidad promedio en el Cierre, en metros por segundo (m/s), se calcula usando la siguiente fórmula:
En este caso XB-XA = dT = 100 ms
YA-YB = dY = 240.5 mm, así:
2.5.6 PRECAUCIONES GENERALES
Se deben observar ciertas precauciones cuando el transductor está instalado y los cables conectados:
2.5.6.1 CURVAS INVERTIDAS
En general, las curvas de desplazamiento muestran la posición CERRADA por encima de la posición ABIERTA. Para observar esta regla, los cables no deben intercambiarse entre los terminales 2 y 3 del transductor. De lo contrario la curva será dibujada al revés (ver Figuras 2.6.1a y b).
Figura 2.6.1a - Conexiones que ocasionan curvas invertidas
Figura 2.6.1b - Ejemplo de curvas invertidas (Cierre)
2.5.6.2 CAPACIDAD DEL TRANSDUCTOR
Cuando se instala el transductor, debemos asegurarnos que el movimiento medido no exceda la capacidad del transductor o éste se dañará, y la curva mostrada no representará el verdadero movimiento del interruptor. En el siguiente gráfico hay un ejemplo de lo que pasaría si el transductor "tocara fondo" (bottoms out) antes que el interruptor alcance el fin de su movimiento, lo que se ve como un ángulo agudo al fondo del gráfico.
Fig. 2.6.2 - Ejemplo de curva de desplazamiento excediendo el rango del transductor
