Un instalador solar residencial de Arizona ha instalado una batería de almacenamiento en una instalación completada. El alimentador del banco de baterías tuvo una instalación limpia en el lado de CC; esto se logró con un MCB de 80A/1200VDC (con el MCB construido de la serie MCB HUB9NEZ de HUYU) para protegerlo. Sin embargo, el lado de CA requería un interruptor para proteger el lado de salida del inversor. Afortunadamente, el instalador tenía un MCB de CC extra (del mismo tamaño de marco) que instaló en su lugar. Después de operar durante dos semanas, el interruptor del inversor se disparó después de que la unidad de aire acondicionado estaba bajo una carga pesada, y esta vez, el arco interno no se extinguió. Las caras de contacto fueron severadas, el interruptor fue desviado, y la corriente de falla continuó por la línea hasta que el interruptor de circuito principal aguas arriba se abrió. Lo que parecía ser una interrupción rutinaria de sobrecorriente resultó en un extraordinario casi incendio debido a que un interruptor de circuito diseñado para voltaje de CC se vio obligado a interrumpir voltaje de CA.
El caso descrito en este informe de seguridad de campo de una importante organización de la industria fotovoltaica es una confirmación obvia de por qué los académicos no deberían abordar si existe o no compatibilidad de circuito de CA para los MCB de CC. La respuesta es simple: no use un interruptor clasificado solo para CC en un circuito de CA o viceversa, independientemente de estar clasificado como dual (por el fabricante) e identificado como tal.
La funcionalidad única de los mecanismos físicos que extinguen el arco eléctrico causado por cada tipo de circuito es tan fundamentalmente diferente, y por lo tanto, usarlos de manera intercambiable realmente derrotará el propósito del dispositivo (el interruptor) que proporciona la protección eléctrica para la que fue diseñado.
El Problema de Extinción de Arcos: Física de Interrupción de CA vs. CC
Entender qué causó que un interruptor de circuito de CC se disparara en un circuito de CA requiere familiarizarse con el arco eléctrico. Cuando los contactos de un circuito eléctrico se abren (se separan) mientras fluye corriente, los contactos separados producen un arco que en sí mismo es una vía eléctricamente conductora. A medida que el arco eléctrico continúa, se convierte en un plasma ionizado compuesto de muchos elementos diferentes y ya no está compuesto de gas puro. La corriente total que fluye a través de los contactos abiertos del circuito produce un arco (similar a una máquina de soldadura por arco) hasta que el interruptor se dispara; este proceso ocurre en circuitos de CA de alta tensión. El medio para extinguir el arco depende de si la corriente es de CA o de CC.
En un circuito eléctrico de corriente alterna (CA), la corriente pasa por cero 100 o 120 veces cada segundo (2 veces cada ciclo o 50 o 60 Hertz). Cada vez que la corriente pasa por cero, colapsa brevemente (es decir, instantáneamente) la energía del arco. Para extinguir el arco y cortarlo efectivamente en piezas de modo que ninguna pieza individual tenga su temperatura (es decir, temperatura de ionización) por encima de la cual el arco volverá a encenderse después de pasar por cero, se utiliza un canal de arco (es decir, una pila de placas metálicas) en un interruptor automático miniatura de CA para cortar y enfriar cada uno de esos segmentos. En consecuencia, todo el diseño de estos dispositivos depende de la extinción garantizada de un arco cada 8.3 milisegundos, cuando la corriente pasa por cero.
Nunca habrá un cruce por cero en una corriente continua (CC) y la corriente eléctrica es constante. Después de que se desarrolla un arco, el arco continuará existiendo hasta que los contactos se separen lo suficiente, la tensión del arco sea mayor que la del plasma del arco se haya enfriado lo suficiente como para que la fuente de tensión ya no pueda mantener el arco activo. Esto significa que el MCB utilizado para CC debe tener un campo de soplado magnético mucho más fuerte, ya sea de un imán permanente o de una bobina de soplado conectada en serie, para que el arco pueda ser forzado a viajar a través de un camino más largo y espiral mucho más en una cámara de arco de tamaño mucho más profundo. La separación de contacto es más amplia en CC. El material de la placa del canal de arco y su forma son diferentes que en CA. Así, cuando el MCB se utiliza en CC, funciona como un dispositivo de extinción forzada en lugar de como un dispositivo de extinción que utiliza la característica de cruce por cero.
La Institución de Ingeniería y Tecnología (IET) proporcionó una explicación detallada sobre el uso seguro de circuitos de protección de corriente continua en su informe técnico. Hay diferentes formas de probar y certificar interruptores automáticos miniatura de CA y CC porque operan de manera diferente debido a cómo funciona la interrupción del arco. Por ejemplo, los interruptores clasificados para CA nunca han podido interrumpir de manera confiable un arco de corriente continua, mientras que los interruptores clasificados para CC nunca han podido interrumpir de manera confiable un arco de corriente alterna debido a la naturaleza de la polaridad cambiante de la corriente alterna.
Qué sucede cuando se utiliza el interruptor incorrecto
La experiencia del instalador de Arizona es ordinaria. Cuando se realiza una instalación de un interruptor automático de circuito principal de corriente continua (CC) en un circuito de corriente alterna (CA), hay dos formas en que puede fallar.
En la mitad del ciclo hacia adelanteEn los dispositivos de extinción de arco de CC, la funcionalidad relacionada con el comportamiento mecánico de los mecanismos de extinción de arco de CC debería funcionar generalmente como se espera. Cuando se activa el soplador mecánico hacia la tolva, el arco es empujado por el mecanismo de soplado magnético a la posición (es decir, se inicia el enfriamiento). Por el contrario, cuando ocurre el siguiente medio ciclo de energía, la corriente eléctrica alterna (CA) invierte su dirección y hace que el imán permanente (o bobina de soplado) empuje el arco en la dirección incorrecta (es decir, de regreso al dispositivo mecánico (dispositivo de extinción de arco), hacia el final del interruptor, y en una parte de la tolva de arco que no fue creada para contener el arco). El arco puede quemar a través de la carcasa de plástico del dispositivo, soldar contactos juntos, o escapar de la protección del dispositivo. Las primeras operaciones del interruptor (disparos) pueden resultar en una operación exitosa del interruptor, pero puede ocurrir una falla después de un período de operación debido al daño acumulado en los contactos.
Un MCB de CA de CC fallará de manera más predecible ya que la tolva de arco está esperando que ocurra un cruce por cero que nunca sucederá. Debido a esto, el arco continuará, causando que los contactos fallen debido al sobrecalentamiento. El interruptor o bien no interrumpirá el ciclo o se incendiará. Debido a que no hay un soplado magnético para lidiar con la corriente en estado estacionario, el arco simplemente permanece en el espacio de contacto hasta que uno de los contactos se derrite. Por lo tanto, ambos casos han fallado en cumplir con la función de seguridad básica del dispositivo.
Interruptores de Doble Clasificación: La Excepción Que Prueba la Regla
Hay interruptores automáticos que se pueden usar tanto para aplicaciones de CA como de CC. No solo tienen MCB de CA que muestran un voltaje de CC como una idea secundaria; también están específicamente diseñados para manejar ambos tipos de arcos: (1) con cruces por cero que ayudan en la extinción del arco (CA) y (2) sin ninguna asistencia externa (CC). El fabricante debe proporcionar certificados de prueba de tipo tanto para CA como para CC. El fabricante también debe indicar que este es un interruptor automático de doble clasificación certificado; por ejemplo, “230Vac máx. 400Vac máx., 60VDC máx/polo.”
Cuando deseas un solo recinto para circuitos de CA y CC al mismo tiempo en una instalación (como la cabina del inversor solar híbrido o el rack de energía de telecomunicaciones), una opción lógica es usar estos interruptores automáticos de tipo combinado; sin embargo, de acuerdo con la extensa guía de aplicación de EC&M, solo hay un número limitado de dispositivos de clasificación combinada disponibles y casi todos los interruptores automáticos mini están clasificados y probados solo para uno de los dos tipos de corriente; por lo tanto, si tienes un dispositivo clasificado para CA y intentas usarlo donde se requiere un dispositivo clasificado para CC, no puedes usar ese dispositivo clasificado para CA a menos que el fabricante te haya dado permiso por escrito para hacerlo.
Seleccionando el Interruptor Correcto para Tu Aplicación
La decisión entre un MCB de CC y un MCB de CA está impulsada completamente por el tipo de corriente del circuito. La tabla a continuación resume el panorama de aplicaciones:
| Tipo de circuito | Interruptor Requerido | Producto Típico |
|---|---|---|
| Circuitos de ramificación de CA (iluminación, tomacorrientes, electrodomésticos) | MCB de CA | HUYU HUM18‑63 MCB de CA (1P–4P, 10kA, curvas B/C/D) |
| Circuitos de motor de CA | MCB de CA o MCCB con curva de disparo apropiada | HUYU HYM1 MCCB |
| Protección de cadena de arreglo PV de CC | MCB de CC, a menudo sensible a la polaridad | HUYU HUM18PV‑63 MCB de CC (hasta 1000V CC) |
| Banco de baterías de CC y entrada de CC del inversor | MCB de CC o MCCB de CC, preferiblemente no polaridad | HUYU HUB9NEZ‑80 Interruptor de Circuito de CC (16A–80A, hasta 1200V CC, UL/TUV) |
| Enclosures mixtos de CA/CC | Interruptor de doble clasificación, o interruptores de CA y CC separados claramente | Verificar la doble clasificación y marcas del fabricante |
Para orientación adicional sobre cómo hacer coincidir las clasificaciones del interruptor con su circuito, nuestro artículo sobre qué tamaño de interruptor automático necesita cubre los métodos de cálculo NEC e IEC para cargas de CA y CC.
¿Pueden CA y CC compartir el mismo cable?
Otra pregunta de similar importancia es la capacidad de los conductores de CA y CC para ocupar el mismo enclosure (conducto/canal/enclosure). Electrical Construction and Maintenance Magazine (EC&M) proporciona algunas orientaciones en sus pautas de instalación prácticas actualizadas sobre la capacidad del NEC (Código Eléctrico Nacional) para permitir esto en circunstancias limitadas; sin embargo, casi siempre es más seguro mantenerlos físicamente separados. Todos los conductores dentro del mismo canal deben estar clasificados para manejar el voltaje máximo presente (CA o CC). Por lo tanto, los conductores de CC deben estar clasificados para el voltaje pico de CA, y los conductores de CA deben estar clasificados para el voltaje máximo de CC.
En términos prácticos, generalmente lleva a los diseñadores a tener conductos separados para circuitos de CA y circuitos de CC, o tener un gabinete con compartimentos que estén claramente separados entre sí. Normalmente, una partición separará el compartimento de CA del compartimento de CC dentro de un gabinete de inversor solar. Esto se indica porque los conductores de CC están aislados con cable rojo/negro, y los conductores de CA están aislados con colores marrón/azul (armonizados) o negro/blanco (América del Norte). Mezclar estos tipos de conductores sin la segregación apropiada causa una mayor dificultad en el aislamiento de los niveles de voltaje, y también crea un mayor potencial para identificar incorrectamente el/los conductor(es) correcto(s) durante el mantenimiento.
Preguntas Frecuentes
¿Se puede usar un MCB de CC para CA?
Ningún MCB puede usarse en CA, a menos que el fabricante haya identificado el cableado del circuito como adecuado para su uso en CA y CC y, por lo tanto, clasificado y marcado como doble. Si el MCB no fue fabricado con un mecanismo definido para extinguir un arco en CA, entonces ese mecanismo podría fallar en el medio ciclo inverso de CA, causando que los contactos se suelden o se quemen a través de la carcasa del MCB.
¿Se pueden usar MCB para CC?
Un MCB estándar de CA nunca debe conectarse a un circuito de CC a menos que esté específicamente clasificado y certificado para su uso con circuitos de CC. Un MCB de CA se basa en un cruce cero en la forma de onda de CA para proporcionar una interrupción en caso de sobrecarga. La corriente de CC no exhibe esta característica, y por lo tanto el interruptor no podrá interrumpir las corrientes de falla de CC a lo largo de un circuito, causando un potencial peligro de incendio.
¿Los interruptores de circuito de CA funcionan con CC?
Los interruptores de circuito de CA no están diseñados para operar de manera efectiva con circuitos de CC. En CC no hay un punto en el tiempo donde la corriente cruce cero, lo que significa que el medio por el cual un interruptor de CA extingue un arco no podrá enfriar y extinguir un arco de CC sostenido. Por lo tanto, el interruptor podría no interrumpir la corriente adecuadamente, podría sobrecalentarse y quemarse, o incluso iniciar un incendio.
¿Se puede poner AC en un interruptor DC?
No es seguro usar un circuito AC en un interruptor DC. El campo magnético de extinción utilizado para ayudar a interrumpir corrientes DC causará que un arco se descargue incorrectamente durante el semiciclo inverso de una onda de voltaje AC, y provocará una perturbación que llamamos falla. Por lo tanto, debe usarse un interruptor clasificado para AC en un circuito AC.
¿Cuál es la diferencia entre un MCB de AC y un MCB de DC?
La mayor diferencia en la operación de los MCBs AC versus DC es cómo extinguen un arco. Los MCBs AC usan una canaleta para extinguir el arco confiando en que la corriente pase por cero. Los MCBs DC usan un campo magnético de extinción más fuerte para apagar el arco, así como contactos separadores más anchos y una canaleta más profunda para permitir que el arco se extinga sin pasar por el punto cero. Los MCBs DC también suelen ser más sensibles a la polaridad que los MCBs AC. Por otro lado, en la práctica, usualmente hay dos conductos independientes o barreras físicas entre los circuitos AC y DC para que no haya posibilidad de una falla entre un circuito AC y DC y para facilitar la identificación de los circuitos por sus voltajes, etc.
Referencias
- IET Wiring Matters — Aplicación segura de dispositivos de protección DC — Institution of Engineering and Technology, guía técnica sobre selección e instalación de interruptores de circuito DC.
- EC&M — Interruptores de circuito AC vs. DC: ¿Cuál es la diferencia? — Electrical Construction & Maintenance, guía práctica sobre tecnología y aplicación de interruptores.
- EC&M — Mezcla de conductores AC y DC: Código y mejores prácticas — Electrical Construction & Maintenance, guía de instalación que cubre los requisitos NEC para sistemas de corriente mixta.
- Fundación Internacional de Seguridad Eléctrica (ESFI) — Recursos de seguridad eléctrica en el hogar y lugar de trabajo, incluyendo orientación sobre protección de sistemas fotovoltaicos.
La pregunta de compatibilidad de circuito AC MCB de CC tiene una única respuesta correcta: el interruptor debe coincidir con el tipo de corriente. Un interruptor DC en un circuito AC, o un interruptor AC en un circuito DC, es un dispositivo de protección que se le ha pedido operar fuera de su rango probado y certificado. Las consecuencias van desde disparos molestos hasta fallas catastróficas. En una instalación eléctrica, la etiqueta en el interruptor — “AC,” “DC,” o el raro “AC/DC” — es la información más importante en el dispositivo. Respetar esa etiqueta asegura que cuando ocurre una falla, el interruptor se abra, extinga el arco y mantenga todo lo que está aguas abajo seguro. En HUYU, suministramos MCBs AC, MCBs DC y interruptores con doble certificación, cada uno claramente marcado y probado según la norma correspondiente, porque nadie debería tener que adivinar si un interruptor funcionará cuando se le pida salvar un circuito.
