4. INTERRUPTORES
4.1. INTERRUPTORES
Inicialmente definiremos un interruptor como un dispositivo mecánico de conexión y desconexión eléctrica, capaz de establecer, soportar e interrumpir la corriente en las condiciones normales de funcionamiento del circuito donde va asociado.
Para interrumpir la corriente en un receptor monofásico, es suficiente abrir éste en un solo punto, por medio de un interruptor unipolar, pero procediendo así no lograremos aislar el receptor de la línea, puesto que éste queda al potencial de la fase no cortada.
Para lograr aislar por completo un receptor o una instalación cualquiera, es necesario abrir el circuito por tantos puntos como conexiones tenga con la línea que lo alimenta. Así, pues, los interruptores unipolares solamente se utilizarán en pequeños receptores de uso doméstico, debiendo utilizar en los demás casos interruptores con tantos polos como conductores lo alimentan.
Las condiciones exigidas a un buen interruptor deberán ser inicialmente las siguientes:
1) Que las superficies de las piezas que realizan el contacto eléctrico, sean suficientes para dejar paso a la intensidad nominal prevista en el circuito donde ha de ser colocado, sin provocar excesivas elevaciones de temperatura.
2) Que el arco de ruptura, que sin duda se formará cuando abramos el circuito, se extinga lo más rápidamente posible, de manera que no forme arco permanente, ya que de lo contrario se destruirían rápidamente los contactos.
La primera condición se logra dimensionando ampliamente la superficie de las piezas que forman el contacto eléctrico, procurando que sea lo más perfecta posible y haciendo que exista una cierta presión entre dichas piezas. Así, podremos decir que la intensidad nominal que puede circular por los contactos de un interruptor, es directamente proporcional a la superficie de los contactos y a la presión ejercida sobre ellos.
La rápida extinción del arco se logra con gran sencillez cuando la tensión e intensidad nominal del interruptor son pequeñas. Por el contrario, en interruptores para elevadas tensiones e intensidades, la dificultad en extinguir el arco crece enormemente según estas dos variables.
Cuando un interruptor en servicio está cerrado, existe una cierta presión entre sus contactos que hace que la superficie de contacto sea máxima y por tanto la corriente que por el circula lo hará con una densidad de corriente mínima (mínima elevación de la temperatura). En la maniobra de apertura, al iniciarse el despegue de los contactos, lo primero que se obtiene es una disminución de presión con el consiguiente aumento de la densidad de corriente. En el instante de la separación de los contactos, la finísima capa de aire que los separa es atravesada por la corriente, provocando una rápida elevación de temperatura que da lugar a un resplandor azulado extremadamente brillante de la chispa, a la vez que se tiene un elevado campo eléctrico entre los contactos capaz de producir una fuerte emisión de electrones en el contacto que hace el papel de cátodo.
Si la corriente que interrumpen los contactos es débil, la elevación de temperatura de la chispa no alcanzará el valor suficiente como para provocar la fusión y volatilización del metal de los contactos, pero a partir de cierto límite, la temperatura llegará a sobrepasar el punto de fusión y volatilización del metal, haciendo que la chispa se torne conductora y produzca el "arco", es decir, una llama de color netamente diferente del de la chispa.
La diferencia entre la chispa y el arco depende, en consecuencia, de la mayor o menor intensidad de la corriente en el momento en que los contactos se separan.
El arco se manifiesta como una columna gaseosa incandescente según una trayectoria aproximadamente rectilínea entre los electrodos, cuyo núcleo alcanza temperaturas comprendidas entre 6.000 y 10.000 ºC. Al mismo tiempo, y dada la constitución de los arcos eléctricos, podemos decir que son conductores y extremadamente móviles, es decir, que se desplazan fácilmente bajo el efecto de corrientes de aire y campos magnéticos.
Analizando la maniobra de apertura de un interruptor en lo que a tensión e intensidad se refiere, podemos apreciar cómo en el instante antes de iniciarse la apertura, la tensión entre sus extremos es prácticamente nula y la intensidad que por él circula es la que en ese momento demanda el circuito (Ir). Iniciada la apertura y establecido el arco, este se irá alargando a medida que los contactos se separan, y en consecuencia, la intensidad irá disminuyendo hasta anularse. La tensión entre extremos de los contactos pasa desde un valor prácticamente nulo (contacto cerrado), hasta un valor igual a la tensión de línea (Er) (contacto abierto).
Durante el tiempo tr que dura la apertura del interruptor, existen infinitos pares de valores (er ; ir ) que determinan la potencia desarrollada por el arco en cada instante, por lo tanto, el trabajo de ruptura desarrollado por el arco en el tiempo tr, será:
No conociendo las funciones de variación de er e ir, no podremos conocer el trabajo de ruptura, por lo que deberemos obtenerlo de una forma experimental. Así, siendo Er e Ir la tensión e intensidad máxima por el interruptor, el trabajo de ruptura será inferior a Er . Ir . tr, pudiendo admitir que:
K es una constante cuyo valor suele ser aproximadamente igual a 0,1.
Las conclusiones que podemos extraer de esta fórmula son inmediatas, pues si reflexionamos sobre la necesidad de que el trabajo de ruptura debe ser lo menor posible, ya que de él depende la vida de los contactos, tendremos que conseguir interruptores cuyos contactos sean capaces de cortar el arco eléctrico en un tiempo lo más pequeño posible, y siendo tr = d/v, deducimos que la velocidad de separación de los contactos (v) debe ser lo mayor posible y la separación necesaria para cortar el arco (d) lo menor posible.
Sustituyendo:
En la mayor parte de los interruptores, la velocidad de separación de los contactos la dan muelles antagonistas capaces de imprimir a los contactos velocidades de separación relativamente grandes, y por lo tanto, tiempos de corte pequeños, del orden de centésimas de segundos.
Si en lugar de un único par de contactos, disponemos de dos pares de contactos en serie, mecánicamente unidos, tal y como se muestra en la figura, conseguimos duplicar el arco, lo cual equivale a decir que la velocidad de corte se ha duplicado, o lo que es igual, el tiempo y el trabajo de ruptura se han reducido a la mitad. Esta es la disposición que adoptan la mayor parte de los interruptores denominados "contactores".
La separación necesaria para que los contactos puedan cortar el arco, depende del medio donde éste se produce. El medio es generalmente el aire, sobre todo en interruptores de baja tensión, pero encontraremos casos en los que el medio es el vacío, aceite mineral, exafluoruro de azufre, etc.
Por otra parte, dada la gran facilidad de desplazamiento del arco eléctrico, en algunas ocasiones veremos como ciertos interruptores disponen de dispositivos para alargar artificialmente el arco, consiguiendo una longitud del arco mayor que la que correspondería en condiciones normales. El soplado de aire a presión o magnético, son los procedimientos más comúnmente utilizados.
