Una forma primitiva de interruptor automático fue descrita por Thomas Edison en una solicitud de patente de 1879, aunque su sistema comercial de distribución de energía utilizaba fusibles. Su propósito era proteger el cableado de los circuitos de iluminación contra cortocircuitos accidentales y sobrecargas. Un interruptor automático miniatura moderno similar a los que se utilizan actualmente fue patentado por Brown, Boveri & Cie en 1924. Hugo Stotz, un ingeniero que había vendido su empresa a BBC, fue acreditado como el inventor en la DRP (Deutsches Reichspatent) 458392. El invento de Stotz fue el precursor del interruptor termomagnético moderno comúnmente utilizado en los centros de carga domésticos hasta el día de hoy. La interconexión de múltiples fuentes generadoras en una red eléctrica requirió el desarrollo de interruptores automáticos con clasificaciones de tensión cada vez mayores y una mayor capacidad para interrumpir de forma segura las crecientes corrientes de cortocircuito producidas por las redes. Los interruptores manuales de ruptura en aire simples producían arcos peligrosos al interrumpir corrientes elevadas; estos dieron paso a contactos encerrados en aceite, y a diversas formas que utilizaban un flujo dirigido de aire presurizado, o de aceite presurizado, para enfriar e interrumpir el arco. Para 1935, los interruptores automáticos especialmente construidos utilizados en el proyecto de la Presa de Boulder utilizaban ocho rupturas en serie y un flujo de aceite presurizado para interrumpir fallas de hasta 2500 MVA, en tres ciclos de la frecuencia de la corriente alterna.

Funcionamiento

Todos los sistemas de interruptores automáticos tienen características comunes en su funcionamiento. Aunque los detalles varían sustancialmente según la clase de tensión, la clasificación de corriente y el tipo del interruptor automático.

El interruptor automático debe detectar una condición de falla; en los interruptores automáticos de baja tensión, esto generalmente se realiza dentro de la carcasa del interruptor. Los interruptores automáticos para grandes corrientes o altas tensiones suelen disponer de dispositivos piloto de relé de protección para detectar una condición de falla y accionar el mecanismo de apertura de disparo. El solenoide de disparo que libera el pestillo generalmente se alimenta mediante una batería independiente, aunque algunos interruptores automáticos de alta tensión son autónomos y cuentan con transformadores de corriente, relés de protección y una fuente de alimentación de control interna.

Una vez detectada una falla, los contactos del interruptor automático deben abrirse para interrumpir el circuito; se utiliza cierta energía almacenada mecánicamente (mediante resortes o aire comprimido) contenida en el interruptor para separar los contactos, aunque parte de la energía necesaria puede obtenerse de la propia corriente de falla. Los interruptores automáticos pequeños pueden accionarse manualmente, las unidades más grandes tienen solenoides para accionar el mecanismo de disparo, y motores eléctricos para restaurar la energía en los resortes.

Los contactos del interruptor automático deben soportar la corriente de carga sin calentarse excesivamente, y también deben resistir el calor del arco producido al interrumpir (abrir) el circuito. Los contactos están hechos de cobre o aleaciones de cobre, aleaciones de plata y otros materiales altamente conductores. La vida útil de los contactos está limitada por la erosión del material de contacto debido al arco mientras se interrumpe la corriente. Los interruptores automáticos miniatura y de carcasa moldeada generalmente se desechan cuando los contactos se han desgastado, pero los interruptores automáticos de potencia y de alta tensión tienen contactos reemplazables.

Cuando se interrumpe una corriente, se genera un arco. Este arco debe contenerse, enfriarse y extinguirse de forma controlada, para que el espacio entre los contactos pueda volver a soportar la tensión del circuito. Los diferentes interruptores automáticos utilizan vacío, aire, gas aislante o aceite como medio en el que se forma el arco. Se utilizan diferentes técnicas para extinguir el arco, entre ellas:

• Alargamiento / desviación del arco
• Enfriamiento intensivo (en cámaras de chorros)
• División en arcos parciales
• Extinción en el punto cero (Los contactos se abren en el cruce por cero de la forma de onda de la CA, de modo que efectivamente no se interrumpe ninguna corriente de carga en el momento de la apertura. El cruce por cero ocurre a dos veces la frecuencia de línea, es decir, 100 veces por segundo para 50 Hz y 120 veces por segundo para 60 Hz de CA)
• Conexión de condensadores en paralelo con los contactos en circuitos de CC.

Por último, una vez que se ha eliminado la condición de falla, los contactos deben cerrarse de nuevo para restaurar la energía al circuito interrumpido.

Interrupción del arco

El interruptor automático miniatura de baja tensión (MCB) utiliza únicamente aire para extinguir el arco. Estos interruptores automáticos contienen las llamadas cortinas de arco, una pila de placas metálicas paralelas mutuamente aisladas que dividen y enfrían el arco. Al dividir el arco en arcos más pequeños, el arco se enfría mientras que la tensión del arco aumenta y sirve como una impedancia adicional que limita la corriente a través del interruptor automático. Las partes conductoras de corriente cerca de los contactos facilitan la desviación del arco hacia las cortinas de arco mediante una fuerza magnética de una trayectoria de corriente, aunque las bobinas de soplado magnético o los imanes permanentes también podrían desviar el arco hacia la cortina de arco (utilizados en interruptores automáticos para clasificaciones más altas). El número de placas en la cortina de arco depende de la clasificación de cortocircuito y la tensión nominal del interruptor automático.

En clasificaciones más grandes, los interruptores automáticos de aceite dependen de la vaporización de parte del aceite para lanzar un chorro de aceite a través del arco.

Los interruptores automáticos de gas (generalmente hexafluoruro de azufre) a veces alargan el arco utilizando un campo magnético, y luego dependen de la rigidez dieléctrica del hexafluoruro de azufre (SF₆) para extinguir el arco alargado.

Los interruptores automáticos de vacío tienen un arco mínimo (ya que no hay nada que ionizar aparte del material de contacto), por lo que el arco se extingue cuando se alarga una cantidad muy pequeña (menos de 2–3 mm (0,079–0,118 in)). Los interruptores automáticos de vacío se utilizan con frecuencia en equipos de conmutación modernos de media tensión hasta 38 000 voltios.

Los interruptores automáticos de aire pueden utilizar aire comprimido para soplar el arco, o alternativamente, los contactos se balancean rápidamente hacia una pequeña cámara sellada, de modo que el escape del aire desplazado sopla el arco.

Los interruptores automáticos suelen ser capaces de interrumpir toda la corriente muy rápidamente: normalmente el arco se extingue entre 30 ms y 150 ms después de que se haya disparado el mecanismo, dependiendo de la antigüedad y construcción del dispositivo. El valor máximo de corriente y la energía de paso determinan la calidad de los interruptores automáticos.

Cortocircuito

Los interruptores automáticos se clasifican tanto por la corriente normal que se espera que soporten, como por la máxima corriente de cortocircuito que pueden interrumpir de forma segura. Esta última cifra es lacapacidad de interrupción de amperios (AIC) del interruptor.

Bajo condiciones de cortocircuito, la máxima corriente de cortocircuito prospectiva calculada puede ser muchas veces la corriente nominal normal del circuito. Cuando los contactos eléctricos se abren para interrumpir una corriente elevada, existe la tendencia a que se forme un arco entre los contactos abiertos, lo que permitiría que la corriente continuara. Esta condición puede crear gases ionizados conductores y metal fundido o vaporizado, lo que puede causar una mayor continuación del arco, o la creación de cortocircuitos adicionales, resultando potencialmente en la explosión del interruptor automático y del equipo en el que está instalado. Por lo tanto, los interruptores automáticos deben incorporar diversas características para dividir y extinguir el arco.

La máxima corriente de cortocircuito que un interruptor puede interrumpir se determina mediante pruebas. La aplicación de un interruptor en un circuito con una corriente de cortocircuito prospectiva superior a la clasificación de capacidad de interrupción del interruptor puede resultar en la falla del interruptor para interrumpir una falla de forma segura. En el peor de los casos, el interruptor puede interrumpir con éxito la falla, solo para explotar al restablecerse.

Los interruptores automáticos de panel domésticos típicos están clasificados para interrumpir una corriente de cortocircuito de 10 kA (10000 A).

Los interruptores automáticos miniatura utilizados para proteger circuitos de control o pequeños electrodomésticos pueden no tener suficiente capacidad de interrupción para usarse en un panel; estos interruptores automáticos se denominan "protectores de circuito suplementarios" para distinguirlos de los interruptores automáticos de tipo distribución.

Clasificaciones de corriente estándar

Tiempo hasta el disparo frente a la corriente como múltiplo de la corriente nominal

Los interruptores automáticos se fabrican en tamaños estándar, utilizando un sistema de números preferidos para cubrir una gama de clasificaciones. Los interruptores automáticos miniatura tienen un ajuste de disparo fijo; cambiar el valor de la corriente de operación requiere cambiar todo el interruptor automático. Los interruptores automáticos más grandes pueden tener ajustes de disparo ajustables, lo que permite aplicar elementos estandarizados pero con un ajuste destinado a mejorar la protección. Por ejemplo, un interruptor automático con un "tamaño de marco" de 400 amperios podría tener su detección de sobrecorriente configurada para operar a solo 300 amperios, para proteger un cable alimentador.

Los Estándares internacionales, IEC 60898-1 y la Norma europea EN 60898-1, definen la corriente nominal I_n de un interruptor automático para aplicaciones de distribución de baja tensión como la máxima corriente que el interruptor está diseñado para soportar continuamente (a una temperatura ambiente del aire de 30 °C). Los valores preferidos comúnmente disponibles para la corriente nominal son 6 A, 10 A, 13 A, 16 A, 20 A, 25 A, 32 A, 40 A, 50 A, 63 A, 80 A, 100 A,^[5] y 125 A (similar a la serie Renard R10, pero utilizando 6, 13 y 32 en lugar de 6.3, 12.5 y 31.5 – incluye el límite de corriente de 13 A de los enchufes británicos BS 1363). El interruptor automático está etiquetado con la corriente nominal en amperios, pero excluyendo el símbolo de la unidad, A. En su lugar, la cifra de amperios está precedida por una letra, B, C o D, que indica la corriente de disparo instantáneo — es decir, el valor mínimo de corriente que hace que el interruptor automático dispare sin un retraso de tiempo intencional (es decir, en menos de 100 ms), expresado en términos de I_n:

Los interruptores automáticos también se clasifican por la máxima corriente de falla que pueden interrumpir; esto permite el uso de dispositivos más económicos en sistemas con poca probabilidad de desarrollar la alta corriente de cortocircuito que se encuentra, por ejemplo, en un sistema de distribución de un gran edificio comercial.

En los Estados Unidos, Underwriters Laboratories (UL) certifica las clasificaciones de equipos, llamadas Clasificaciones de Serie (o “clasificaciones integradas de equipos”) para equipos de interruptores automáticos utilizados en edificios. Los interruptores automáticos de potencia y los interruptores automáticos de media y alta tensión utilizados para sistemas industriales o de energía eléctrica están diseñados y probados según los estándares ANSI/IEEE de la serie C37.

Tipos de interruptores automáticos

Panel frontal de un interruptor automático de aire de 1250 A fabricado por ABB. Este interruptor automático de potencia de baja tensión puede extraerse de su carcasa para mantenimiento. Las características de disparo son configurables medianteinterruptores DIP en el panel frontal.

Se pueden hacer muchas clasificaciones diferentes de interruptores automáticos, basadas en sus características como la clase de tensión, el tipo de construcción, el tipo de interrupción y las características estructurales.

Interruptores automáticos de baja tensión

Los tipos de baja tensión (menos de 1,000 V_CA) son comunes en aplicaciones domésticas, comerciales e industriales, e incluyen:

• Interruptor automático miniatura (MCB)—corriente nominal no superior a 100 A. Características de disparo normalmente no ajustables. Operación térmica o termomagnética. Los interruptores ilustrados arriba están en esta categoría.

Hay tres tipos principales de MCB:

1. Tipo B - dispara entre 3 y 5 veces la corriente de plena carga;
2. Tipo C - dispara entre 5 y 10 veces la corriente de plena carga;
3. Tipo D - dispara entre 10 y 20 veces la corriente de plena carga.

En el Reino Unido todos los MCB deben seleccionarse de acuerdo con BS 7671.

• Interruptor automático de carcasa moldeada (MCCB)—corriente nominal de hasta 2,500 A. Operación térmica o termomagnética. La corriente de disparo puede ser ajustable en clasificaciones más grandes.
• Los interruptores automáticos de potencia de baja tensión pueden montarse en múltiples niveles en tableros de baja tensión o gabinetes de equipos de conmutación.

Las características de los interruptores automáticos de baja tensión están dadas por estándares internacionales como IEC 947. Estos interruptores automáticos a menudo se instalan en carcasas extraíbles que permiten la extracción e intercambio sin desmontar los equipos de conmutación.

Los interruptores de potencia y de caja moldeada de baja tensión de gran tamaño pueden disponer de operadores eléctricos para motores que permitan abrir y cerrar mediante control remoto. Estos pueden formar parte de un sistema deconmutador automático de transferencia para alimentación de reserva.

Los interruptores de baja tensión también se fabrican para aplicaciones de corriente continua (CC), como para líneas de metro. La corriente continua requiere interruptores especiales porque el arco es continuo, a diferencia de un arco de CA, que tiende a extinguirse en cada semiciclo. Un interruptor de corriente continua tiene bobinas de expulsión que generan un campo magnético que estira rápidamente el arco. Los interruptores pequeños se instalan directamente en los equipos o se agrupan en unpanel de interruptores.

Interior de un interruptor

El interruptor automático miniatura termomagnético montado enriel DIN es el modelo más común en los modernoscuadros eléctricos domésticos ycuadros de distribución comerciales de Europa. El diseño incluye los siguientes componentes:

1. Palanca de accionamiento: se utiliza para disparar y restablecer manualmente el interruptor. También indica el estado del interruptor (encendido o apagado/disparado). La mayoría de los interruptores están diseñados para dispararse incluso si la palanca se mantiene o se bloquea en la posición de encendido. Esto se denomina a veces operación de «disparo libre» o «disparo positivo».
2. Mecanismo de accionamiento: junta o separa los contactos.
3. Contactos: conducen la corriente cuando están en contacto y la interrumpen cuando se separan.
4. Terminales
5. Tira bimetálica: separa los contactos en respuesta a sobrecorrientes menores pero de mayor duración
6. Tornillo de calibración: permite alfabricante ajustar con precisión la corriente de disparo del dispositivo después del montaje.
7. Solenoide: separa rápidamente los contactos en respuesta a sobrecorrientes elevadas
8. Divisor/extintor de arco

Interruptores magnéticos

Los interruptores magnéticos utilizan un solenoide (electroimán) cuya fuerza de atracción aumenta con la corriente. Algunos diseños utilizan fuerzas electromagnéticas además de las del solenoide. Los contactos del interruptor se mantienen cerrados mediante un pestillo. Cuando la corriente del solenoide aumenta por encima de la capacidad nominal del interruptor, la fuerza de atracción del solenoide libera el pestillo, lo que permite que los contactos se abran mediante la acción de un resorte. Algunos interruptores magnéticos incorporan una función de retardo temporal hidráulica que utiliza un fluido viscoso. Un resorte sujeta el núcleo hasta que la corriente supera la capacidad nominal del interruptor. Durante una sobrecarga, el fluido restringe la velocidad de movimiento del solenoide. El retardo permite breves picos de corriente por encima de la corriente de funcionamiento normal para arrancar motores, energizar equipos, etc. Las corrientes de cortocircuito proporcionan suficiente fuerza al solenoide para liberar el pestillo independientemente de la posición del núcleo, anulando así la función de retardo. La temperatura ambiente afecta al retardo temporal, pero no a la capacidad nominal de corriente de un interruptor magnético

Interruptores termomagnéticos

Los interruptores termomagnéticos, que son el tipo que se encuentra en la mayoría de loscuadros de distribución, incorporan ambas técnicas: el electroimán responde instantáneamente a grandes picos de corriente (cortocircuitos) y la tira bimetálica responde a sobrecorrientes menos extremas pero de mayor duración. La parte térmica del interruptor proporciona una función de respuesta de «tiempo inverso», que dispara el interruptor antes ante sobrecorrientes mayores, pero permite que las sobrecargas menores persistan durante más tiempo. Ante sobrecorrientes muy elevadas durante un cortocircuito, el elemento magnético dispara el interruptor sin ningún retardo adicional intencionado.

Interruptores de disparo común

Interruptor de disparo común de tres polos para alimentar un dispositivo trifásico. Este interruptor tiene una capacidad nominal de 2 A

Cuando se alimenta un circuito ramal con más de un conductor activo, cada conductor activo debe estar protegido por un polo del interruptor. Para garantizar que todos los conductores activos se interrumpan cuando se dispara cualquier polo, debe utilizarse un interruptor de «disparo común». Estos pueden contener dos o tres mecanismos de disparo en una sola carcasa o, en el caso de interruptores pequeños, pueden unir externamente los polos mediante sus manijas de accionamiento. Los interruptores de disparo común de dos polos son habituales en sistemas de 120/240 voltios en los que las cargas de 240 voltios (incluidos loselectrodomésticos grandes o cuadros de distribución adicionales) abarcan los dos conductores activos. Los interruptores de disparo común de tres polos se utilizan normalmente para suministrarenergía eléctrica trifásica a motores grandes o cuadros de distribución adicionales.

Los interruptores de dos y cuatro polos se utilizan cuando es necesario desconectar múltiples fases de CA o desconectar el conductor neutro para garantizar que no fluya corriente por el neutro desde otras cargas conectadas a la misma red cuando los trabajadores puedan tocar los conductores durante el mantenimiento. Nunca deben utilizarse interruptores separados para la fase y el neutro, porque si el neutro se desconecta mientras el conductor activo permanece conectado, se produce una situación peligrosa: el circuito parece desenergizado (los aparatos no funcionan), pero los conductores permanecen activos y algunosDDR podrían no dispararse si alguien toca el conductor activo (porque algunos DDR necesitan alimentación para dispararse). Por eso, solo deben utilizarse interruptores de disparo común cuando sea necesario conmutar el conductor neutro.

Interruptores de media tensión

Los interruptores de media tensión con capacidades nominales entre 1 y 72 kV pueden ensamblarse en conjuntos de aparamenta metálica para uso en interiores o instalarse como componentes individuales en exteriores, en unasubestación. Los interruptores de arco en aire sustituyeron a las unidades llenas de aceite para aplicaciones en interiores, pero ahora están siendo sustituidos a su vez por interruptores de vacío (hasta aproximadamente 40,5 kV). Al igual que los interruptores de alta tensión descritos a continuación, también se operan medianterelés de protección que detectan la corriente y se accionan mediantetransformadores de corriente. Las características de los interruptores de media tensión están definidas por normas internacionales como la IEC 62271. Los interruptores de media tensión utilizan casi siempre sensores de corriente yrelés de protección independientes, en lugar de depender de sensores de sobrecorriente térmicos o magnéticos integrados.

Los interruptores de media tensión pueden clasificarse según el medio utilizado para extinguir el arco:

• Aceite en bruto
• Aceite mínimo
• Soplado de aire
• Vacío
• SF₆
• CO₂

Debido a las preocupaciones medioambientales y de coste por los derrames de aceite aislante, la mayoría de los interruptores nuevos utilizan gas SF₆ para extinguir el arco.

Los interruptores pueden clasificarse como detanque activo, cuando la carcasa que contiene el mecanismo de ruptura está al potencial de línea, o detanque inactivo, cuando la carcasa está al potencial de tierra. Los interruptores de CA de alta tensión están habitualmente disponibles con capacidades nominales de hasta 765 kV. Siemens lanzó interruptores de 1.200 kV en noviembre de 2011, seguidos por ABB en abril del año siguiente.

Los interruptores de alta tensión utilizados en sistemas de transmisión pueden configurarse para permitir que se dispare un solo polo de una línea trifásica en lugar de disparar los tres polos; para algunas clases de fallos, esto mejora la estabilidad y la disponibilidad del sistema.

Los interruptores decorriente continua de alta tensión siguen siendo un campo de investigación a fecha de 2015. Tales interruptores serían útiles para interconectar sistemas de transmisión HVDC.

Interruptores de alta tensión de hexafluoruro de azufre (SF₆)

Un interruptor de hexafluoruro de azufre utiliza contactos rodeados de gas hexafluoruro de azufre para extinguir el arco. Se utilizan con mayor frecuencia para voltajes de nivel de transmisión y pueden incorporarse a aparamentas compactas aisladas en gas. En climas fríos, puede ser necesario un calentamiento suplementario o reducir la capacidad nominal de los interruptores debido a la licuefacción del gas SF6.

Interruptor de seccionamiento (DCB)

Interruptor de alta tensión de dióxido de carbono de 72,5 kV

El interruptor de desconexión (DCB) se introdujo en 2000^[11] y es un interruptor de alta tensión modelado a partir del interruptor SF₆. Presenta una solución técnica en la que la función de desconexión está integrada en la cámara de interrupción, eliminando la necesidad de desconectores independientes. Esto aumenta la disponibilidad, ya que los contactos principales de los seccionadores de aire libre necesitan mantenimiento cada 2–6 años, mientras que los interruptores modernos tienen intervalos de mantenimiento de 15 años. La implementación de una solución DCB también reduce los requisitos de espacio dentro de la subestación y aumenta la fiabilidad, debido a la ausencia de desconectores independientes.

Con el fin de reducir aún más el espacio requerido de la subestación, así como simplificar el diseño y la ingeniería de la misma, se puede integrar un sensor de corriente de fibra óptica (FOCS) con el DCB. Un DCB de 420 kV con FOCS integrado puede reducir la huella de una subestación en más de un 50 % en comparación con una solución convencional de interruptores de tanque vivo conseccionadores y transformadores de corriente, debido a la reducción de material y a la ausencia de un medio de aislamiento adicional.

Interruptores de alta tensión de dióxido de carbono (CO₂)

En 2012, ABB presentó un interruptor de alta tensión de 75 kV que utiliza dióxido de carbono como medio para extinguir el arco. El interruptor de dióxido de carbono funciona bajo los mismos principios que un interruptor SF₆ y también puede fabricarse como un interruptor de desconexión. Al cambiar de SF₆ a CO₂, es posible reducir las emisiones de CO₂ en 10 toneladas durante el ciclo de vida del producto.

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