Instalaciones de corriente continua en baja tensión: arco en CC, polos y seccionamiento

La mayor parte de las instalaciones eléctricas que hemos visto en el portal son de corriente alterna. Pero cada vez hay más corriente continua en baja tensión: campos fotovoltaicos, baterías de acumulación, cargadores de vehículos eléctricos, variadores y servicios auxiliares de subestaciones. Y los aparatos y las reglas cambian: no se puede aplicar a la corriente continua lo que se sabe de la alterna. Un magnetotérmico diseñado para 230 V de CA puede no abrir o incluso incendiarse al intentar cortar 230 V de CC.

El problema del arco

Al abrir un circuito con corriente, entre los contactos aparece un arco. En alterna, la corriente pasa por cero 100 veces por segundo (cada semiperiodo), y ahí el arco se apaga si los contactos ya están separados lo bastante: el interruptor «solo» tiene que esperar al siguiente paso por cero y evitar que se reencienda. En continua, la corriente nunca pasa por cero. El arco tiene que forzarse a apagarse: alargándolo, enfriándolo y dividiéndolo hasta que la tensión necesaria para mantenerlo supere la de la fuente.

Además, en un circuito con inductancia (un cable largo, un motor, una bobina), la corriente no puede anularse de golpe: la energía almacenada ½·L·I² se disipa en el arco, con una constante de tiempo τ = L/R que alarga su duración. Por eso los aparatos de CC deben ser capaces de interrumpir con una constante de tiempo especificada (las normas de producto definen categorías de empleo en CC con constantes de tiempo de pocos milisegundos para cargas resistivas e inductivas moderadas, y mayores para cargas muy inductivas).

Cómo se corta la CC

Los interruptores de corriente continua usan una combinación de técnicas:

• Polos en serie: varios polos conectados en serie para dividir la tensión del arco. Cada polo aguanta una parte. Por eso un interruptor de CC de 500 V suele ser tetrapolar (dos polos en serie por polaridad) y uno de 1.000 V, de seis u ocho polos.
• Soplado magnético: un imán permanente desplaza el arco hacia las cámaras de extinción. Esto hace que muchos interruptores de CC tengan polaridad: el imán empuja el arco en el sentido correcto solo si la corriente circula en el sentido previsto. Si se conecta al revés, el arco se empuja hacia dentro, no se extingue y el aparato se destruye.
• Cámaras de extinción (placas de deionización) que dividen y enfrían el arco.

Polaridad: respetar las marcas

Los magnetotérmicos de CC con soplado magnético llevan marcas + y −: se conectan respetando esa polaridad, que depende de si es un interruptor de «un solo sentido» (polarizado) o de «ambos sentidos» (no polarizado, con soplado simétrico). Un error de conexión suele pasar desapercibido hasta el día del cortocircuito.

Tensión por polo y tensión total

La tensión de empleo en CC de un interruptor depende del número de polos en serie que atraviesa la corriente y de cómo se conecten. El fabricante da la tabla (por ejemplo, 125 V por polo en un interruptor de uso general): para 500 V hay que usar cuatro polos conectados según el esquema que él indica (dos y dos, en la polaridad positiva y la negativa), no cuatro polos «sueltos» en paralelo.

Fotovoltaica y baterías: particularidades

• Cortocircuito en un campo fotovoltaico: la corriente de cortocircuito de los módulos es apenas superior a la nominal (1,1–1,25 veces), así que un magnetotérmico de CC no dispara magnéticamente con una falta de un solo string; solo ve una pequeña sobreintensidad. La protección de los cables de strings se hace con fusibles gPV (de uso en fotovoltaica), no con interruptores convencionales.
• Baterías: al contrario, una batería de ion-litio o plomo puede dar una corriente de cortocircuito enormemente alta (kiloamperios) con una inductancia casi nula, lo que exige fusibles o interruptores de poder de corte en CC adecuado.
• Seccionadores de CC: el seccionador de la entrada del inversor debe ser de corte en carga en CC a la tensión máxima del campo (que, en frío, es superior a la nominal) y con cuatro o más polos.
• El campo generador no se puede «desconectar»: con luz solar, los módulos siempre dan tensión. Las operaciones en un campo FV se hacen con precauciones específicas y, a menudo, con cubierta opaca de los módulos.

El artículo de autoconsumo fotovoltaico trata estas protecciones en detalle.

Riesgos específicos

1. Arco persistente: un arco en CC en un conector flojo o un cable dañado no se apaga solo. Es una de las causas más frecuentes de incendio en instalaciones FV. Algunos inversores incorporan detección de arco en serie (AFCI).
2. Diferenciales: la CC con fugas satura el núcleo de los diferenciales de tipo A y AC, que dejan de detectar. Se necesitan diferenciales de tipo B (o vigilancia de aislamiento por parte del inversor): véase protección diferencial: tipos.
3. Corrosión electrolítica: una corriente continua de fuga por un conductor enterrado corroe el metal (efecto electrolítico).
4. Efecto de la polaridad en el aislamiento: los condensadores y las baterías pueden retener tensión tras desconectar, y los cables largos almacenan energía.

Dimensionado

• Caída de tensión: se calcula como en alterna pero con R solo (sin reactancia): ΔU = 2 · I · R · L en un circuito de dos conductores.
• Intensidad admisible: los cables de CC se calientan igual que en alterna con el mismo valor eficaz; no hay efecto pelicular, y por eso los cables de gran sección dan algo más de corriente en CC.
• Cables fotovoltaicos específicos (con doble aislamiento, resistentes a la intemperie y a los rayos UV, para tensiones de 1,5 kV CC).
• Tensión máxima del sistema: debe considerarse la tensión en circuito abierto a la temperatura mínima, que es superior a la nominal.

Resumen

• En CC no hay paso por cero: el arco debe forzarse a extinguirse con polos en serie, soplado magnético y cámaras.
• Los aparatos de CC tienen tensión por polo y, a veces, polaridad: respetar esquemas y marcas del fabricante.
• En fotovoltaica, los fusibles gPV protegen los strings; los magnetotérmicos de CC ven poca sobreintensidad.
• Riesgo de arco en serie y diferenciales que no ven la CC: tipo B o vigilancia de aislamiento.

Contenido orientativo basado en las normas de producto de aparamenta de corriente continua (UNE-EN 60947-2, 60947-3 y 60898-2) y en la práctica de instalaciones fotovoltaicas. Los valores concretos (tensión por polo, constante de tiempo, esquemas de conexión) deben tomarse del fabricante y del proyecto.