interruptores y reles

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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Universidad Nacional del Centro del PerúFacultad de Ingeniería Eléctrica y Electrónica

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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interruptores y reles

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