Problemas de diseño en los conectores de tensión alta

Los conectores diseñados para tales aplicaciones deben acomodarse a los requisitos particulares de seguridad y presentan desafíos especiales de diseño.

¿Qué es "Tensión alta"?

La definición numérica de tensión alta depende del contexto. Dos factores que se tienen en cuenta al clasificar una tensión como "tensión alta" son la posibilidad de causar una chispa en el aire y el peligro de choque eléctrico por contacto o proximidad. Las definiciones pueden hacer referencia a la tensión entre dos conductores de un sistema o entre cualquier conductor y la conexión a tierra.

En el extremo inferior, las tensiones mayores a 50V que se aplican en la piel humana seca y sana pueden causar fibrilación cardiaca si producen corrientes eléctricas en tejidos del cuerpo humano que pasan por el área del pecho. Por otro lado, en ingeniería de transmisión de corriente eléctrica, se considera como alta tensión toda tensión por encima de ~35.000 V.

La tabla 1 muestra las definición del IEC para alta y baja tensión y su definición de riesgos.

Rango de tensión del IEC	CA	CC	Definición de riesgo
Alta tensión	> 1000Vrms	>1500V	Arco eléctrico
Baja tensión	50 – 1000Vrms	120 – 1000V	Choque eléctrico
Extra baja tensión	50Vrms	<120V	Riesgo bajo

Tabla 1: definiciones de tensión del IEC (fuente: Wikipedia)

Temas relacionados con el diseño de alta tensión

Las tensiones altas imponen estrés severo en todos los componentes del sistema de conexión. El aislamiento que es perfectamente adecuado a 12V, dice, puede rápidamente degradar o caer a 12kV. En general, a medida que la tensión aumenta, se forma una corona alrededor de un conductor de HV seguido de un quiebre dieléctrico, que lleva a una falla catastrófica o un arco.

Descarga de corona

Una descarga de corona es una descarga eléctrica que ocurre por la ionización del aire alrededor de un conducto que está eléctricamente cargado. La corona ocurrirá cuando la fortaleza (gradiente potencial) de un campo eléctrico alrededor de un conductor sea lo suficientemente alta como para formar una región conductiva, pero no lo suficientemente alto como para causar una ruptura eléctrica o arco en los objetos cercanos. Esto puede ocurrir a tensiones tan bajas como 300V. La corona puede también ocurrir por ionización de aire dentro de un vacío en una interfaz o dieléctrica dentro de un conector.

A pesar que la corona es un proceso de energía baja, en periodos largos de tiempo, puede sustancialmente degradar aisladores, lo que causa que un sistema falle por una ruptura dieléctrica.

Para minimizar los efectos de corona en el diseño del conector, es importante maximizar la distancia entre los conductores que tienen diferenciales de tensión alta, usar conductores con un radio grande, evitar diseños que tengan puntos filosos o bordes filosos, y usar dieléctrica sin vacíos.

Arco y ruptura dieléctrica

Un arco eléctrico, o descarga de arco, es una ruptura eléctrica de un gas que produce una descarga de plasma continua, que resulta de una corriente a través de medios normalmente no conductivos tal como el aire. En STP, el aire se rompe a aproximadamente 3kV/mm.  

En el caso de un medio sólido tal como una dieléctrica, una ruptura dieléctrica ocurre cuando la fuerza de la tensión es lo suficientemente significativa como para causar un arco a través de una dieléctrica entre el conductor y la conexión a tierra. La falla es catastrófica porque el flujo de corriente a través de la dieléctrica deja vacíos llenos con carbón y la dieléctrica ya no podrá soportar la tensión requerida.

Estándares de seguridad correspondientes

Estos efectos pueden tener consecuencias graves, posiblemente fatales en los equipos de tensión alta, incluyendo conectores, de modo que hay numerosos estándares de seguridad que se han desarrollado, dependiendo de la aplicación.

Estándar de seguridad	Aplicación
IEC/EN-61558-2-17	Transformadores de potencia, unidades de suministro de energía y suministros de energía de modo de conmutador
IEC/EN-60950	Equipo de TI
IEC/EN-60601-1	Equipo médico eléctrico
IEC/EN-60079	Aparato eléctrico para atmósferas de gas explosivo
IEC/EN-60335	Aparatos eléctricos para el hogar y otros similares
IEC/EN-60065	Aparatos electrónicos de audio, video y otros similares

Tabla 2: Algunos estándares comunes de seguridad (Fuente: Feryster)

Otros campos, tal como el automotriz, tienen su propio conjunto de estándares establecidos por organizaciones tales como la SAE.

Distancia de aislamiento y línea de fuga

Para minimizar el riesgo de falla en equipos de tensión alta y dar un margen adecuado de seguridad, los conductores que llevan tensiones altas deben mantener una cierta distancia mínima aparte (separación). Estas distancias, llamadas distancia de aislamiento y línea de fuga, varían según la aplicación y están especificadas en el estándar de seguridad que corresponda.

 

Figura 1: Distancia de aislamiento y línea de fuga. (Fuente: Feryster)

La distancia de aislamiento es la distancia más corta entre dos partes conductivas tales como pines de un conector medidos en el aire. Una distancia de aislamiento adecuada ayuda a prevenir la ruptura dieléctrica entre pines causada por la ionización del aire. El nivel de ruptura dieléctrica está también influenciado por la humedad relativa, la temperatura y el grado de contaminación en el ambiente.

La línea de fuga es el trayecto más corto entre dos partes conductivas (o entre una parte conductiva y la superficie de fijación del equipo) medido a lo largo de la superficie de aislamiento. Una línea de fuga adecuada y correcta protege contra el seguimiento, un proceso que produce un trayecto parcialmente conductor de deterioro localizado en la superficie de un material aislante como resultado de las descargas eléctricas en o cerca de una superficie de aislamiento. La línea de fuga es igual o más grande que la distancia de aislamiento.

El Índice de seguimiento comparativo (CTI, por sus siglas en inglés) se usa para medir las propiedades de ruptura eléctrica (seguimiento) de un material aislante. Para una aplicación dada, la línea de fuga mínima requerida por las agencias de seguridad tal como UL depende del valor de CTI del aislante.

Grado de contaminación

Para un material aislante y una tensión dada, las distancias de aislamiento y de línea de fuga se ven también afectadas por la contaminación seca y la condensación presente en el medioambiente, también conocido como grado de contaminación. La clasificación del grado de contaminación va desde el grado 1 (extremadamente bajo, equivalente a un ambiente de sala limpia) a un grado 4 (conductividad persistente causada por polvo conductor, lluvia o nieve). El grado de contaminación puede tener un impacto importante en la conectividad porque la distancia de aislamiento y especialmente el espacio aumenta dramáticamente con el grado de contaminación.

Por ejemplo, los conectores de subminiatura D (Dsub) se usan comúnmente en muchas aplicaciones. Están disponibles a través de muchos proveedores y no son costosos. La distancia entre el pin del conector y el blindaje de puesta a tierra es de alrededor de 1,6mm. Esta distancia cumple con los estándares de seguridad de línea de fuga UL para los ambientes de grado de contaminación 1 (0,3mm) y el grado de contaminación de grado 2 (1,6mm) a 150V.

Pero para el funcionamiento de 300V, la distancia de aislamiento para el grado de contaminación 2 aumenta a 3,0mm, de modo que el conector cumple con los estándares de seguridad solamente si se usa en un ambiente con grado de contaminación 1. Por lo tanto, dentro de un ambiente típico de prueba, que se clasifica como grado 2, el uso de un conector Dsub por encima de 150V no cumple con los estándares de seguridad correspondientes y se considera no seguro.

Construcción de un conector de tensión alta

¿De qué manera los conectores de tensión alta minimizan los efectos de la tensión alta y maximizan la seguridad?

Las figuras 2 y 3 muestran un conector circular típico de tensión alta y un receptáculo, clasificado para hasta 27kV de operación. Generalmente un receptáculo hembra profundo, que se muestra a la derecha, está ubicado sobre el lateral de la tensión alta. Los pines del conector macho se montan en canales aislados individualmente.

 

Figura 2: Conector circular de tensión alta LGH. (Fuente: TE Connectivity)  

Figura 3: muestra la construcción interna. Note cómo a medida que las dos partes se juntan, el aro de aislamiento macho rodea completamente a la hembra antes de que los dos pines hagan contacto eléctrico. Para evitar que salten chispas entre los pines adyacentes en el mismo alojamiento, se debe agregar un compuesto de moldeo para rellenar las cavidades traseras luego de que los pines se inserten en la carcasa.

 

Figura 3: Sección transversal de un conector LGH. (Fuente: TE Connectivity)  

Para proteger contra la ruptura dieléctrica, los conectores de tensión alta tal como este usan materiales de rigidez dieléctrica alta tal como PTFE, también comercializado bajo la marca Teflon®. La rigidez dieléctrica de la resina PTFE es muy alta (23,6kV/mm para 1,5mm de espesor medido por la prueba a corto plazo de ASTM), y no varía con el envejecimiento térmico y la temperatura.

Seguridad a nivel del sistema

En casos donde es posible que el conector pueda desconectarse mientras está encendido, hay otras estrategias que pueden usarse para garantizar la seguridad. La incorporación del circuito de interbloqueo de tensión alta (HVIL, por sus siglas en inglés) es un sistema de estrategia a nivel del sistema para mejorar la seguridad del conector. Un circuito HVIL es un circuito cerrado separado construido dentro del diseño del conector que un tipo de conexión a prueba de fallas o rupturas.  

A medida que un conector de tensión alta empieza a desconectarse, el circuito HVIL detecta el movimiento y envía una señal a los dispositivos electrónicos para descargar tensiones altas presentes en el terminal a un nivel predeterminado antes de la desconexión final del terminal. Esto típicamente debe suceder dentro de medio segundo de que el HVIL detecte el inicio de una ruptura de conexión dentro de la unidad de dispositivo electrónico. Idealmente, eso da como resultado que no haya tensiones altas presentes en los terminales cuando el conector esté totalmente separado.

La estrategia se usa en conectores de tensión alta diseñados para uso en vehículos eléctricos, que llevan tensiones potencialmente letales.

Conectores de tensión alta de Arrow

La especificación de conectores para aplicaciones de tensión alta es un área especializada: Arrow y TE Connectivity ofrecen una amplia gama de conectores y la asistencia técnica para ayudarlo a tomar la decisión correcta.