Tema #3: El Arco Eléctrico

Maracaibo, Febrero del 2015

Mayor a

1A

¿ Que es el arco eléctrico?

El arco eléctrico es una descarga independiente, que se da a través de dos electrodos separados a través de un medio dieléctrico, el cual pierde sus propiedades aislantes.

Principal característica

La principal característica es una mancha de emisión en la proximidad del catado, esta se forma por:

Al separa contactos eléctricos aumenta la densidad de corriente y temperatura con emisión de electrones

Efecto de los choques de iones con el cátodo

La emisión del campo debido a la concentración de partículas en el cátodo

Caída de tensión en el arco

El arco eléctrico

representa una

resistencia conectada entre los

electrodos

La caída de tensión no denota un

cambio lineal.

Agrupando las caídas de tensiones se obtiene la siguiente expresión:

Se observa la dependencia de la

longitud

Formula de AyrtonLas

constantes a, b, c, y d dependen

del material de los

electrodos

En el caso del cobre:

•a = 15V•b= 10V/cm•c= 10 VA•d= 50 VA/cm

Comportamiento estático del

arco

Agrupando las constantes

< 100 A

Se introduce la

dependencia de la corriente

Esta relación se obtiene

prescindiendo de A

Comportamiento del Arco en AC

La intensidad del arco varia con la frecuencia, considerando el balance de energía donde:

Q: Energía almacenada

Po: Energía irradiada o transferencia de calor

Teoría de Mayr. comportamiento resistivo del

arco

Donde Qo y K son

constantes

Derivando la expresión en función del tiempo e igualando las ecuaciones obtenidas llegamos a la ecuación dinámica del arco

Indica la dependencia de la intensidad de corriente, en función de la tensión del arco, para cualquier variación del arco

Q0: cantidad de calor almacenada por el arco

Suponiendo que el arco conduce la siguiente intensidad de corriente

Obteniendo la siguiente relación para la caída de tensión en el arco.

En la cual tenemos que

Uz= Punta de encendido: Valor máximo que se observa para la tensión a determinada corriente

Ue= Punta de extinción. Valor mínimo que se da en el cruce por cero

θ es la constante térmica de la resistencia del arco

Comportamiento térmico

Factor de importancia en los interruptores de

potencia

Cámara de

extinción

Deionización

Evitar el reencendido del arco

Si la tensión prevaleciente en el interruptor es mayor a la tensión de recuperación

Reencendido del arco eléctrico

Radio dependiendo del medio de

extinción

Contenido energético del arco

Si el arco permanece encendido

por un tiempo tb se define su contenido energético Wb por la siguiente expresión

El proceso de extinción tiene como fundamento sacar esa energía dentro del arco hacia el exterior, ya sea por: convección y radiación térmica o refrigeración por expansión

Los dispositivos de extinción pueden ser:

•Dependientes de la intensidad de corriente

•Independientes de la intensidad de corriente

Extinción del Arco Existe una longitud máxima para la cual el arco tiende a desgarrase

Sustituyendo la caída de tensión en el arco

Suponiendo que para i = 0 se debe de extinguir el arco, se obtiene la longitud mínima para desgarrar el arco

De la condición U= α, se deduce que el arco no puede persistir sin una tensión mínima que debe ser superior a α

Circuito Resistivo

Circuito Resistivo-

Inductivo en CD

La diferencia entre la tensión en el espacio interelectrodico (U-IR) y la tensión del arco (Ub), da como resultado la caída de tensión inductiva (Ldi/dt).

Para extinguir el arco en todo nivel de corriente se debe de lograr que la caída de tensión inductiva sea negativa

Mecanismos de extinción

Extinción Natural

Se da con el empuje térmico ascendente, que prolonga el arco

Soplado Magnético

La intensidad de corriente que se desea interrumpir se hace circular por una bobina, lo cual crea un campo magnético

Prolongación Artificial del Arco

Se disponen en el espacio interelectrodico segmentos aislantes

Cámaras de Deion

Con fundamento en el efecto Slepian, empleando placas de cobre se busca seccionar el arco en pequeños arcos parciales

Condensadores de Extinción

Conectando condensadores en paralelo al espacio interelectrodico, obligando al crecimiento uniforme de la tensión, de manera que la tensión del arco sea mayor a la tensión prevaleciente en el interruptor

Estos procedimientos son validos en AC hasta niveles de tensión de 660V

El Arco en Corriente Alterna

El comportamiento del arco difiere al de CD ya que este se extingue por si solo en los cruces por cero. Esto se conoce como histéresis del arco

La intensidad de corriente aumenta en el arco y la tensión decae, hasta llegar a un máximo de corriente, luego la corriente empieza a decaer y la tensión se intenta restablecer

Este comportamiento se ve en un circuito resistivo que obedezca las siguientes ecuaciones

Uz: Valor máximo, puede causar un primer reencendido del arco, Reignition

Uv: Puede causar un segundo reencendido del arco, Restrike

Extinción en Corriente Alterna

Si la tensión en el interruptor excede a la tensión de recuperación Ur entonces ocurre un reencendido, de lo contrario si la tensión Ur logra incrementar su valor mas rápido que la tensión en el interruptor entonces no se producirá el reencendido del arco.

Se debe de tomar en cuenta la

naturaleza del circuito

Punto 1: comienzo de la recuperación dieléctrica, deionización del medio

Punto 2: reencendido del arco porque la tensión que prevalece entre los contactos del interruptor supera la rigidez dieléctrica del medio