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Dec 13, 2023

Contactores y Seguridad

El concepto de gestión de carga inteligente doméstica se convertirá en una práctica estándar. Por qué

El concepto de gestión de carga inteligente doméstica se convertirá en una práctica estándar. Por qué ? – simplemente porque no tenemos la capacidad de almacenamiento/flexibilidad para gestionar picos de demanda en la red eléctrica nacional, de la misma manera que la tenemos actualmente con los combustibles de gas y petróleo de red, incluso permitiendo generación local, prosumidores, etc. Esto implica una modelo de costo que refleja cuando usas/tomas tu electricidad, requiriendo un mayor grado de gestión y control sobre la demanda de energía existente para cada consumidor.

El concepto de control descentralizado utilizando dispositivos inteligentes con un controlador maestro es fácil de implementar en nuevas construcciones. Las instalaciones y electrodomésticos existentes podrían utilizar un panel de control centralizado para seleccionar circuitos, según la disponibilidad/costo del suministro en el momento del uso.

El resultado neto, mayor uso de contactores (relés de potencia) para proporcionar funciones de conmutación discretas para aparatos o circuitos específicos. por ejemplo, similar a la gestión de carga dinámica de hoy en día en los cargadores EV que dependen de un contactor para la funcionalidad básica.

Los diseños de circuito de mejores prácticas que utilizan contactores para proporcionar funciones de seguridad, tienen en cuenta los modos de falla reconocidos de un contactor y el circuito de control asociado. Los estándares existentes cubren esto - los ejemplos se dan a continuación:

Estándar BSEN 61508 (Seguridad funcional) para estándares de aplicación como BSEN 62061-1 (Seguridad funcional de las máquinas) y BSEN IEC 61851-1 (Sistemas de carga de vehículos eléctricos) donde elementos específicos del sistema de control eléctrico proporcionan una función de seguridad. Por ejemplo en un cargador EV, comprobando la presencia del conductor PE antes de iniciar el ciclo de carga. La evaluación de riesgos de diseño determina el diseño de rendimiento del sistema de control y los productos utilizados para detener o eliminar el peligro.

Parada de emergencia: Eliminar o detener un peligro no eléctrico relacionado específicamente con las partes móviles de una máquina; aplastamiento, cizallamiento, enredo, atrapamiento, etc. No se debe desconectar el suministro eléctrico si crea peligros adicionales, por ejemplo, desconectar el frenado eléctrico en cargas de alta inercia.

En la figura 1: una sola falla en el equipo podría provocar la pérdida de la función de seguridad, por ejemplo, los contactos del contactor permanecen cerrados cuando opera el E/stop, es decir, la tolerancia a fallas de hardware (HFT) = 0. Este nivel de rendimiento puede ser adecuado para lesiones menores reversibles, como hematomas, pero no para lesiones irreversibles.

Para cumplir los objetivos de seguridad de las Directivas/Reglamentos relevantes, el diseñador tendría que considerar medidas adicionales, por ejemplo, monitoreo de fallas, reacción ante fallas, redundancia de hardware basada en el riesgo/peligro.

Apagado de emergencia:* Eliminación de un peligro eléctrico relacionado con la tensión de alimentación

BS EN 60204-1 (Seguridad de las máquinas): especifica el uso de equipos apropiados, que se apagan cuando se operan, incluida una acción autorizada después de las comprobaciones, antes de volver a conectar el suministro.

* Reglamentos de electricidad en el trabajo de 1989, nota de orientación (2) 35: 230 V CA se clasifica como "fatalmente peligroso"

BS7671 537.3.3 (Desconexión del suministro a toda o parte de una instalación): Los dispositivos para el apagado de emergencia deben ser fácilmente accesibles en una ubicación cercana al peligro; consulte 537.3.3.6 y deben poder trabarse en la posición de apagado, si los medios de apagar y volver a encender no están bajo el control de la misma persona – ver 537.3.3.7

Ejemplo. Los controles de esta bomba de calor doméstica están ubicados dentro de la propiedad y fuera del alcance de alguien que esté trabajando en el equipo en el exterior. Un interruptor en carga capaz de interrumpir la corriente del motor estancado debe ubicarse cerca del equipo para fines de aislamiento seguro.

Las Regulaciones de Equipos Eléctricos (Seguridad) 2016 detallan objetivos de seguridad específicos. Para cumplir estos objetivos, los fabricantes normalmente diseñan equipos sobre la base de estándares designados o utilizan estándares de referencia existentes (mejores prácticas) para equipos no estandarizados. Los estándares existentes y las mejores prácticas se pueden aplicar para respaldar el caso de seguridad básico del diseñador para la evaluación de riesgos del producto y el diseño del equipo: consulte el Anexo 2 (2. d).

Los equipos eléctricos que no están cubiertos por un estándar de diseño específico deben cumplir con las Regulaciones de seguridad de equipos eléctricos: Ejemplo de aplicación Suministro monofásico de PME para carga de EV (BS 7671 722.411.4.1), es decir, desconexión eléctrica en caso de falla de circuito abierto neutral. Consulte la Nota 5 de la cláusula anterior, que continúa diciendo;

"..es responsabilidad del diseñador de la instalación eléctrica u otra persona responsable de especificar la instalación establecer que el fabricante del equipo se ha asegurado de que el equipo satisfaga los objetivos de seguridad de la(s) Directiva(s) pertinente(s)."

El equipo descrito en 722.411.4.1 (iii), (iv), (v) no tiene un estándar de diseño de producto específico. Sin embargo, las normas de seguridad existentes cubren los principios de diseño para la funcionalidad relacionada con la seguridad mediante el uso de contactores.

BSEN 60947-4 (Contactores electromecánicos) Anexo K; proporciona información sobre modos de falla comunes y tasas de falla, para usar en el diseño de equipos que utilizan contactores en aplicaciones de seguridad funcional, por ejemplo, cambiar el conductor vivo, neutro y de tierra para eliminar un peligro eléctrico en caso de una falla de circuito abierto neutro. Los diseños que se basan únicamente en la apertura del inducido del contactor y la desconexión de un circuito después de la activación durante semanas, meses o incluso años tienen una alta probabilidad de fallar en la apertura; consulte los detalles a continuación.

El diseño de equipos seguros para aplicaciones domésticas tiene en cuenta que la persona responsable de la operación segura del equipo en el día a día es una "Persona Común".

BS7671 Tabla 537.4 hace referencia a BSEN 60947-4; contactores adecuados para montaje en un elemento de equipo o envolvente completamente cerrado y BSEN 61095; contactores restringidos a < 63 A e Iq* < 6 kA aptos para montaje en envolvente modular. Se puede probar un contactor para cumplir con ambos estándares; consulte los datos técnicos del fabricante.

*Iq = corriente nominal de cortocircuito condicional del contactor + SCPD

BSEN 60947-4 Anexo K: Contactores para uso en aplicaciones relacionadas con la seguridad (BSEN 61095 no es aplicable), por ejemplo, BSEN IEC 61851-1 requiere que los contactores cumplan con 60947-4.

El anexo K, cláusula K.3, cubre la caracterización de un modo de falla y la tabla K.1 brinda los modos de falla típicos de los contactores normalmente abiertos. La cláusula K.4 cubre las tasas de falla típicas (tabla K.2) y establece que "la tolerancia a fallas de hardware (HFT) para un contactor es generalmente cero". A efectos de diseño, los niveles de HFT se definen en BSEN 61508, por ejemplo, un equipo con un HFT = 0 no puede tolerar una sola falla peligrosa; consulte el primer ejemplo de la tabla K.1 a continuación.

Los índices de falla típicos (F) proporcionados en la Tabla K.2 se relacionan con una categoría de utilización específica; sin embargo, es importante tener en cuenta que el índice de "fallo de apertura" es del 73 %* para operación con carga y del 50 %* para operación mecánica (apagado). carga.)

* Valores típicos basados ​​en una gama de contactores electromecánicos

Si el modo de falla del contactor puede resultar en una situación peligrosa y la tasa de falla > 40 % como en el caso anterior, 60947-4 se refiere al uso de una función de diagnóstico con una función de reacción a falla apropiada; ejemplo: BSEN IEC 61851-1 ( equipo de suministro de EV) 6.3.1.1 requiere funciones piloto de control obligatorias, incluida la activación y desactivación de la fuente de alimentación para el EV, es decir, monitorear la apertura y el cierre del contactor para cada ciclo de carga. Esto aumenta la probabilidad de identificar una falla antes de que el equipo sea llamado para proporcionar una función de seguridad adicional, por ejemplo, si el equipo incluye monitoreo de fallas de neutro de circuito abierto.

El uso de contactos auxiliares de espejo* para proporcionar retroalimentación de diagnóstico a través del sistema de control eléctrico proporciona un método reconocido (estandarizado) para detectar que un contactor no se ha abierto al final del ciclo completo.

* Contacto de espejo: contacto auxiliar vinculado mecánicamente con un contacto de potencia para replicar de forma fiable el estado de los contactos de potencia – 60947-4 Anexo F

En la práctica, hay una serie de razones por las que un contactor podría no abrirse; a continuación, se muestran dos ejemplos:

61095 especifica que en caso de falla, la coordinación con el dispositivo de protección no debe producir efectos peligrosos durante la eliminación de la falla. Se acepta el riesgo de contactos soldados y es posible que el contactor no sea adecuado para un uso posterior, es decir, reemplace el contactor antes de volver a poner el equipo en servicio.

60947-4 especifica dos niveles (Tipos) de coordinación. En caso de defecto, ambos tipos de coordinación aceptan el riesgo de soldadura de los contactos principales: Coordinación tipo 1; similar al 61095, reemplace el contactor antes de volver a poner el equipo en servicio. coordinación tipo 2; el contactor debe ser adecuado para un uso posterior, consulte las instrucciones del fabricante para obtener consejos sobre cómo verificar esto, antes de volver a ponerlo en servicio.

Restablecer un MCB o reemplazar un fusible antes de revisar el contactor en busca de contactos soldados, podría resultar en un circuito vivo aguas abajo del contactor con el suministro de la bobina desconectado.

Ambos estándares se refieren al servicio continuo (contactor energizado), como el tiempo que lleva llevar una corriente constante el tiempo suficiente para que los contactos del contactor y el circuito magnético, cuando se energice a su voltaje de suministro de control nominal (100%), alcancen el equilibrio térmico. pero no por más de 8 horas sin desenergizar el contactor. Los circuitos magnéticos del contactor energizados durante períodos prolongados pueden estar sujetos a niveles bajos sostenidos de sobrevoltaje. El sobrecalentamiento en el sistema magnético puede hacer que la armadura permanezca cerrada al retirar el suministro de la bobina.

Ver BS 7671 Tabla 537.4: Contactos principales aptos para aislamiento - ver 537.2.4, 537.3.3.6 y 537.3.7:

La redacción del Reglamento engloba tecnología innovadora y mantiene estándares seguros de diseño. En situaciones donde no existe un estándar de equipo, los estándares de seguridad genéricos brindan consejos sobre cómo desarrollar y diseñar equipos seguros al aplicar productos existentes.

Tomar una decisión técnica sobre cualquier producto requiere una comprensión de los riesgos asociados con esa solución en particular. Deberíamos ser claros en la justificación de esa solución. Los estándares de seguridad existentes brindan recomendaciones sobre cómo aplicar contactores en aplicaciones de seguridad funcional. El funcionamiento regular del equipo (apertura y cierre del contactor) combinado con un sistema de control de diagnóstico (usando los contactos de espejo del contactor) y una función de reacción a fallas (bloqueo del sistema, alarma, mantenimiento, etc.) permiten la identificación temprana de fallas peligrosas, aumentando la fiabilidad de seguridad del equipo. Los estándares de diseño del cargador EV ya consideran los requisitos de seguridad funcional en el diseño básico y, en consecuencia, la característica de diseño: la desconexión eléctrica en caso de una falla neutral de circuito abierto integrada en el punto de carga EV, se puede verificar con referencia al estándar 61851-1 existente.

Los contactores están diseñados para operar regularmente (abrir y cerrar) proporcionando un método simple y confiable para conmutar cargas eléctricas de manera remota y regular. Al usarlos en aplicaciones relacionadas con la seguridad, debemos tener en cuenta los consejos que se dan en la norma de producto de contactores 60947-4 y las normas de seguridad existentes.

Chaz Andrews - Gerente técnico, Doepke UK Ltd

[email protected] o www.doepke.co.uk