Explicación del apagado de arcos: Cómo se apagan los arcos eléctricos con SF6, vacío y aire

Introducción

Cada vez que un contacto de conmutación se separa bajo la corriente, se forma un arco eléctrico. En una fracción de segundo, ese arco alcanza temperaturas superiores a los 10.000 °C, lo suficientemente calientes como para vaporizar los contactos de cobre, carbonizar las superficies aislantes y mantener un canal de plasma conductor que se niega a extinguirse. Si no se controla, este arco destruye equipos, provoca fallos en cascada y pone en peligro al personal.

El mecanismo de extinción de arcos en aparamenta es el sistema de ingeniería - que combina la geometría de los contactos, el medio de extinción de arcos y el diseño de la cámara - que fuerza la extinción del arco en el primer cero de corriente disponible, protegiendo tanto el dispositivo de conmutación como la red de distribución de energía a la que sirve.

Para los ingenieros eléctricos que especifican aparamenta de MT, y para los responsables de compras que evalúan configuraciones AIS, GIS o SIS, comprender la extinción de arcos no es un conocimiento de fondo: es la base técnica que determina la fiabilidad de la aparamenta, la carga de mantenimiento, el cumplimiento de la normativa medioambiental y el coste total del ciclo de vida. Elegir el medio de extinción de arcos equivocado para su aplicación es una decisión que se agrava en coste y consecuencias cada año que el equipo permanece en servicio.

Este artículo ofrece un desglose riguroso y centrado en la aplicación de los mecanismos de extinción de arcos en los tres tipos de aparamenta de la gama de productos Bepto.

Índice

• ¿Qué es el apagado del arco y por qué es crítico en las celdas de MT?
• ¿Cómo se comportan los distintos medios de extinción de arcos en las aparamenta AIS, GIS y SIS?
• ¿Cómo seleccionar el mecanismo de extinción de arcos adecuado para su aplicación de aparamenta?
• ¿Cuáles son los fallos comunes del templado de arco y los requisitos de mantenimiento?

¿Qué es el apagado del arco y por qué es crítico en las celdas de MT?

El apagado del arco, también denominado extinción del arco o interrupción del arco, es el proceso controlado por el cual el arco de plasma conductor formado durante la separación de contactos en la aparamenta de conexión se fuerza a extinguirse permanentemente, restaurando la rigidez dieléctrica del hueco de contacto antes de que el siguiente semiciclo de tensión pueda restablecer el arco.

La física de la formación del arco

Cuando los contactos del interruptor comienzan a separarse bajo carga o corriente de defecto, se produce la siguiente secuencia en microsegundos:

1. La resistencia de contacto aumenta a medida que disminuye el área de contacto, generando un intenso calentamiento resistivo en la interfaz de contacto
2. Comienza la vaporización del metal - el material de contacto de cobre o plata-tungsteno se evapora, formando un puente de vapor metálico conductor
3. El arco de plasma se enciende - el vapor metálico se ioniza bajo la tensión aplicada, creando una columna de plasma conductor que transporta la corriente del circuito completo
4. Arco se sostiene - el arco genera suficiente calor para mantener la ionización, resistiendo la extinción natural hasta que se produce un cero de corriente

La columna de arco de las celdas de MT funciona a 6.000-20.000°C, con tensiones de arco de 100-1.000V en función de la longitud del arco y del medio. A estas temperaturas, el arco irradia UV intensos, genera ondas de presión y erosiona el material de contacto a razón de miligramos por operación.

Por qué el apagado del arco define el rendimiento de los conmutadores

• Contacto Longevidad: Una extinción del arco más rápida y limpia se traduce en una menor erosión de los contactos por operación, lo que determina directamente la resistencia eléctrica (número de operaciones de ruptura de fallos antes de la revisión).
• Integridad del aislamiento: La extinción incompleta del arco deja depósitos de gas ionizado y carbono en las superficies aislantes, degradando progresivamente rigidez dieléctrica¹ y comportamiento de fuga
• Velocidad de eliminación de fallos: La velocidad de extinción del arco determina la energía total de paso de la corriente de defecto (I²t), que rige los daños en los equipos aguas abajo durante los eventos de defecto.
• Seguridad: La extinción incontrolada del arco eléctrico en celdas cerradas genera ondas de presión y gas caliente que pueden provocar fallos de arco interno, el modo de fallo más destructivo en celdas de MT.

Parámetros clave del apagado por arco

Parámetro	Definición	Requisito típico
Tiempo de extinción del arco	Tiempo desde la separación del contacto hasta la extinción final del arco	< 1 ciclo (20 ms a 50 Hz)
Tasa de recuperación dieléctrica	Velocidad a la que el hueco de contacto recupera la resistencia del aislamiento tras el arco	Debe superar la tasa de aumento TRV
Tensión de recuperación transitoria (TRV)2	Tensión que aparece a través del hueco de contacto tras la extinción del arco	Por IEC 62271-1003
Erosión de contacto por operación	Masa de material de contacto perdida por operación de conmutación	< 0,5mg/operación (vacío)
Energía del Arco	Energía total disipada en el arco por operación	Minimizado por extinción rápida

¿Cómo se comportan los distintos medios de extinción de arcos en las aparamenta AIS, GIS y SIS?

Los tres tipos de aparamenta de la gama de productos de Bepto (AIS, GIS y SIS) emplean cada uno un medio de extinción de arco y una arquitectura de cámara distintos. Cada uno de ellos representa un compromiso de ingeniería deliberado entre el rendimiento, el impacto medioambiental, los requisitos de mantenimiento y el espacio necesario para la instalación.

Aparamenta AIS: Apagado por arco de aire

La aparamenta aislada en aire utiliza aire atmosférico como medio de aislamiento primario y como medio de extinción del arco. La extinción del arco en AIS se consigue mediante la tecnología de conducto de arco:

• Geometría Arc Runner: Los contactos están conformados para impulsar el arco hacia arriba, hacia una pila de placas metálicas divisoras (canaletas de arco), utilizando la fuerza electromagnética (fuerza de Lorentz sobre la corriente de arco).
• División del arco: Los conductos de arco dividen el arco único en 10-20 arcos en serie, cada uno con su propia caída de tensión de arco, elevando la tensión total del arco por encima de la tensión del sistema y forzando la corriente a cero.
• Refrigeración por arco: La gran superficie de las placas divisoras absorbe la energía del arco, enfriando el plasma y acelerando la desionización.

AIS Arc Quenching Performance:

• Tiempo de extinción del arco: 1-3 ciclos
• Erosión por contacto: Moderada (requiere inspección periódica)
• Mantenimiento: Los conductos de arco requieren limpieza y sustitución después de operaciones de alta corriente
• Impacto medioambiental: Cero emisiones de gases de efecto invernadero del medio de arco

Aparamenta GIS: Enfriamiento por arco de gas SF6

Utilización de aparamenta aislada en gas hexafluoruro de azufre (SF6)⁴ a presiones de 3-5 bar absolutos como medio de aislamiento y de extinción del arco. La extinción del arco con SF6 funciona mediante un mecanismo de soplado:

• Compresión Puffer: Un pistón unido mecánicamente al accionamiento de los contactos comprime el gas SF6 a medida que se separan los contactos, lo que genera presión en el cilindro del soplador.
• Explosión de gas dirigida: En la separación de los contactos, el SF6 comprimido se dirige como una ráfaga axial de alta velocidad a través de la columna del arco.
• Efecto de electronegatividad: Las moléculas de SF6 tienen una electronegatividad extrema: capturan electrones libres del plasma del arco, reduciendo rápidamente la conductividad y forzando la extinción del arco a corriente cero.
• Recuperación dieléctrica: Tras la extinción, el SF6 recupera la rigidez dieléctrica a una velocidad aproximadamente 100 veces superior a la del aire, lo que impide que el arco vuelva a producirse en TRV.

GIS Arc Quenching Performance:

• Tiempo de extinción del arco: < 1 ciclo (típicamente 16-20ms)
• Erosión por contacto: Baja - El enfriamiento por chorro de SF6 minimiza los daños en la superficie de contacto
• Mantenimiento: Herméticamente sellado, no requiere mantenimiento del conducto de arco
• Impacto medioambiental: El SF6 es un potente gas de efecto invernadero (GWP = 23.500) - requiere un control de integridad sellado y una recuperación responsable del gas al final de su vida útil.

Aparamenta SIS: Temple por arco en vacío

Conmutadores con aislamiento sólido interruptores de vacío⁵ como elemento de conmutación y extinción del arco, con un encapsulado de resina epoxi sólida que proporciona el aislamiento primario. La extinción del arco en vacío es fundamentalmente diferente de los métodos basados en gas:

• Arco de vapor metálico: En el vacío (presión < 10-³ mbar), el arco se forma exclusivamente a partir del vapor metálico evaporado de las superficies de contacto - no hay medio gaseoso que sostenga la ionización.
• Difusión plasmática rápida: Sin moléculas de gas que dispersen los electrones, el plasma de vapor metálico se difunde radialmente hacia el exterior desde la abertura de contacto a una velocidad extremadamente alta.
• Extinción instantánea a corriente cero: A medida que la corriente se aproxima a cero, cesa la generación de plasma, el vapor metálico se condensa en las superficies de contacto y en el blindaje, y el hueco de contacto recupera toda la rigidez dieléctrica en microsegundos.
• No Arc Products: La extinción por vacío no produce gas ionizado, ni depósitos de carbón, ni ondas de presión: el hueco de contacto queda limpio inmediatamente después de cada operación.

Rendimiento de enfriamiento del arco SIS:

• Tiempo de extinción del arco < 0,5 ciclo (instantáneo a corriente cero)
• Erosión por contacto: Muy baja - < 0,5 mg por operación de rotura de avería
• Mantenimiento: Interruptor de vacío sellado, sin mantenimiento interno para una vida útil de más de 20 años
• Impacto medioambiental: Cero emisiones de GEI, sin gases de arco

Medios de enfriamiento del arco: Comparación completa del rendimiento

Parámetro	AIS (Aire)	SIG (SF6)	SIS (vacío)
Velocidad de extinción del arco	1-3 ciclos	< 1 ciclo	< 0,5 ciclo
Recuperación dieléctrica	Lento	Rápido	Muy rápido
Contacto Erosión	Moderado	Bajo	Muy bajo
Frecuencia de mantenimiento	Alta	Bajo	Mínimo
Huella de instalación	Grande	Medio	Compacto
Impacto medioambiental	Ninguno	Alto (SF6 GHG)	Ninguno
Rango de tensión adecuado	12-40,5kV	12-252 kV	12-40,5kV
Coste del ciclo de vida	Medio	Medio-Alto	Bajo

Caso de cliente: Reducción de los costes de mantenimiento con la aparamenta SIS

El propietario de una empresa centrada en la calidad que opera una subestación industrial de 24 kV en una planta de procesamiento químico se puso en contacto con nosotros después de experimentar fallos recurrentes en el conducto de arco de su aparellaje AIS existente. La agresiva atmósfera química estaba acelerando la contaminación del conducto de arco, lo que requería intervenciones de limpieza trimestrales y dos sustituciones completas del conducto de arco en los tres años siguientes a la puesta en servicio.

Después de cambiar a la aparamenta SIS de Bepto con interruptores de vacío y aislamiento epoxi sólido, el equipo de mantenimiento de la planta informó de que no se habían producido intervenciones de mantenimiento relacionadas con arcos durante un periodo de 30 meses. Los interruptores de vacío sellados no se vieron afectados en absoluto por el entorno químico y el aislamiento sólido eliminó todas las vías de contaminación superficial. El ahorro total en costes de mantenimiento durante los tres primeros años superó el sobrecoste de la actualización del SIS.

¿Cómo seleccionar el mecanismo de extinción de arcos adecuado para su aplicación de aparamenta?

La selección del mecanismo de extinción de arcos correcto requiere adaptar el tipo de aparamenta a las limitaciones eléctricas, medioambientales, espaciales y normativas específicas de la instalación. He aquí el proceso de selección estructurado.

Paso 1: Definir los requisitos eléctricos

• Tensión del sistema: 12 kV, 24 kV o 40,5 kV: los tres tipos de aparamenta cubren esta gama; por encima de 52 kV, la opción principal es la GIS.
• Nivel de fallo (Ik): Confirmar la corriente nominal de corte en cortocircuito (16 kA / 25 kA / 31,5 kA / 40 kA) - tanto el vacío como el SF6 soportan toda la gama de fallos de MT; los conductos de arco de aire están limitados a niveles de fallo superiores
• Frecuencia de conmutación: La conmutación de alta frecuencia (operaciones diarias) favorece el vacío (SIS) para una erosión mínima de los contactos; la conmutación poco frecuente es compatible con los tres tipos.
• Requisitos TRV: La conmutación de corriente capacitiva (alimentadores de cables, baterías de condensadores) requiere una cuidadosa coordinación de TRV - los interruptores de vacío requieren supresión de sobretensiones para aplicaciones de conmutación capacitiva.

Paso 2: Considerar las condiciones ambientales

• Interior, ambiente limpio: Los tres tipos son adecuados; el SIS es preferible por su tamaño compacto
• Interior, Ambiente Contaminado / Químico: SIS con interruptores de vacío sellados y aislamiento sólido es la mejor opción: elimina todas las vías de entrada de contaminación.
• Exteriores / Entorno duro: GIS con caja hermética SF6 o SIS con caja IP65+; AIS requiere una caja adicional resistente a la intemperie
• Instalación con limitaciones de espacio: El SIS ocupa menos espacio: hasta 50% menos que el AIS equivalente; el GIS es intermedio
• Zona sísmica: Los GIS y SIS de construcción compacta y rígida superan a los AIS en aplicaciones sísmicas

Paso 3: Correspondencia entre normas y certificaciones

• IEC 62271-200: Celdas de MT con envolvente metálica (todos los tipos)
• IEC 62271-100: Disyuntores de CA - rendimiento de interrupción de arco
• IEC 62271-1: Especificaciones comunes para aparamenta de alta tensión
• IEC 62271-203: Aparamenta metálica con aislamiento por gas (específica GIS)
• GB/T 11022: Norma nacional china sobre aparamenta de alta tensión
• Clasificación de Arco Interno (CAI): Especifique IAC A (accesible al personal autorizado) o IAC B (accesible al público en general) según IEC 62271-200

Escenarios de aplicación

• Subestaciones secundarias urbanas: SIS o GIS para un tamaño compacto y un mantenimiento mínimo en instalaciones subterráneas o integradas en edificios con limitaciones de espacio.
• Plantas industriales: Aparamenta SIS para entornos químicos, farmacéuticos o de procesamiento de alimentos en los que la resistencia a la contaminación es primordial
• Transmisión de la red eléctrica: GIS para 72,5 kV y superiores, donde el rendimiento del SF6 a alta tensión es incomparable
• Energía renovable (solar / eólica): SIS para celdas de MT en centrales eléctricas que requieren poco mantenimiento durante 25 años de vida útil
• Marina y Offshore: GIS o SIS con cierre hermético resistente a la niebla salina y la humedad

¿Cuáles son los fallos comunes del templado de arco y los requisitos de mantenimiento?

Los fallos por extinción de arco se encuentran entre los sucesos más destructivos en las celdas de MT. Comprender los modos de fallo específicos de cada medio de extinción de arco permite un mantenimiento proactivo y evita fallos de arco interno catastróficos.

Lista de comprobación de la instalación

1. Verificar la capacidad de rotura nominal - Confirmar que el valor nominal de la corriente de corte en cortocircuito de la aparamenta es igual o superior a la corriente de defecto prevista en el punto de instalación.
2. Comprobar el recorrido y la alineación de los contactos - Una separación de contactos incorrecta o una desalineación provoca una extinción incompleta del arco y una erosión acelerada; verificar según el procedimiento de puesta en servicio del fabricante.
3. Confirmar presión SF6 (GIS) - Compruebe que el indicador de presión de gas está en la zona verde antes de la activación; una presión inferior a la mínima desactiva la capacidad de apagado del arco.
4. Prueba de integridad al vacío (SIS) - Realice una prueba de alta potencia en los interruptores de vacío según IEC 62271-100 antes de la puesta en servicio; un interruptor de vacío defectuoso no extinguirá los arcos.
5. Verificar la puesta a tierra y los enclavamientos - Confirme que todos los seccionadores de puesta a tierra y enclavamientos mecánicos funcionan correctamente antes de la energización.
6. Realización de la prueba IR previa a la energización - Resistencia de aislamiento > 1000 MΩ entre fases y fase-tierra

Modos de fallo por extinción de arco por tipo de aparellaje

Averías del AIS (paracaídas de arco de aire):

• Contaminación de la canaleta del arco con depósitos de carbono: aumenta la probabilidad de que el arco se vuelva a disparar.
• Erosión de la placa divisora: reduce la eficacia de la división del arco con corrientes de fallo elevadas.
• Oxidación del canal de arco: impide el movimiento del arco hacia la canaleta, lo que provoca la combustión de los contactos.

Averías del SIG (SF6):

• Fuga de gas SF6 por debajo de la presión mínima - pérdida de capacidad de apagado del arco y aislamiento
• La entrada de humedad en el gas SF6 forma ácido HF corrosivo en condiciones de arco, destruyendo los componentes internos.
• Desgaste del mecanismo del amortiguador: reduce la velocidad del chorro de gas, prolongando la duración del arco.

Averías SIS (vacío):

• Fallo de la junta del interruptor de vacío: la pérdida de vacío permite la entrada de aire, convirtiendo el arco de vacío en arco de aire con resultados catastróficos.
• Erosión de los contactos más allá del límite de desgaste: tras un número nominal de operaciones de rotura, la distancia entre los contactos aumenta más allá del diseño, reduciendo la capacidad de rotura.
• Daños por sobretensión: la conmutación de corriente capacitiva sin supresores de sobretensión puede generar sobretensiones que sobrecarguen el aislamiento del interruptor de vacío.

Programa de mantenimiento por tipo de aparamenta

Intervalo	AIS	SIG	SIS
6 meses	Inspección visual del vertedero de arco	Comprobación de la presión del SF6	Inspección visual
1 año	Resistencia de contacto; prueba IR	Análisis de la humedad del gas	Prueba IR; vacío hi-pot
3 años	Evaluación de la sustitución del vertedero de arco	Análisis completo de gases; comprobación de contactos	Medición de la erosión por contacto
5 años	Revisión completa; sustitución de contactos	Inspección interna exhaustiva	Evaluación del interruptor de vacío
Después de la avería	Inspección inmediata del conducto de arco	Análisis de gases + inspección interna	Integridad del vacío + comprobación de los contactos

Conclusión

La extinción de arcos es la capacidad técnica definitoria de cualquier aparamenta, el mecanismo que separa un dispositivo de conmutación fiable y duradero de un lastre a punto de fallar. Tanto si se especifica como AIS con conductos de arco de aire, GIS con tecnología de soplado de SF6 o SIS con interruptores de vacío, el medio de extinción del arco y el diseño de la cámara determinan todos los parámetros de rendimiento críticos: velocidad de eliminación de fallos, longevidad de los contactos, carga de mantenimiento, cumplimiento medioambiental y espacio ocupado por la instalación.

Adapte su mecanismo de extinción de arcos al entorno de su aplicación, al nivel de fallo y a la capacidad de mantenimiento, porque en las instalaciones de conmutación de media tensión, el arco que no puede controlar le controla a usted.

Preguntas frecuentes sobre el mecanismo de extinción de arcos en aparamenta eléctrica

1. Comprender la propiedad de los materiales aislantes de soportar la tensión eléctrica sin fallar. ↩

2. Estudie la tensión a través de los contactos del disyuntor inmediatamente después de la interrupción del arco. ↩

3. Consulte la norma internacional para interruptores automáticos de corriente alterna de alta tensión. ↩

4. Conozca las propiedades químicas y el potencial de calentamiento global del gas SF6 en los equipos eléctricos. ↩

5. Explore la tecnología que hay detrás de la extinción del arco en un entorno de vacío para aplicaciones de media tensión. ↩