Un taller de galvanoplastia ponía en marcha su tanque cada mañana encendiendo un calentador de inmersión de PTFE de 5 kW. Tres o cuatro de cada cinco mañanas, el disyuntor se disparó a los pocos segundos de arrancar. El calentador funcionó normalmente una vez que el tanque estuvo caliente. Mantenimiento reemplazó el disyuntor dos veces y luego el calentador una vez. Los viajes continuaron. El problema no era el disyuntor ni el calentador. Era la condición de inicio-en frío.
El arranque en frío es el momento de mayor estrés eléctrico en el ciclo de funcionamiento de un calentador. El elemento de resistencia está a temperatura ambiente, es posible que el aislamiento interno haya absorbido humedad durante la noche y la corriente de entrada puede exceder el valor del estado estable-entre un 10 % y un 30 %. Para los calentadores de inmersión de PTFE, que a menudo se instalan en ambientes húmedos y funcionan de manera intermitente, los disparos de arranque en frío-son un problema común y a menudo mal diagnosticado.
Por qué la resistencia al frío es menor que la resistencia al calor
Las aleaciones calefactoras tienen un coeficiente de resistencia a la temperatura positivo. La resistencia aumenta a medida que el elemento se calienta. Un elemento de nicromo que mide 14,4 Ω a 20 grados puede medir entre 15,5 y 16,0 Ω a temperatura de funcionamiento.
En el momento del arranque, el elemento se encuentra a temperatura ambiente. Su resistencia está en el punto más bajo de su rango operativo. Para un voltaje de suministro fijo, una resistencia más baja significa una corriente más alta. La corriente de entrada en el arranque en frío puede ser entre un 8 % y un 15 % mayor que la corriente en estado estable-a la temperatura de funcionamiento. En algunos diseños de elementos con coeficientes de temperatura elevados, la diferencia puede alcanzar el 20-30%.
La corriente más alta es normal y breve. El elemento se calienta en segundos, la resistencia aumenta y la corriente cae hasta un estado estable. Pero si el interruptor tiene un tamaño cercano a la corriente de estado-estable, la irrupción puede exceder su umbral de disparo instantáneo.
| Temperatura del elemento | Resistencia | Corriente a 240V | En relación con el estado estacionario |
|---|---|---|---|
| 20 grados (frío) | 14.4 Ω | 16.7 A | 108% |
| 100 grados | 14.9 Ω | 16.1 A | 104% |
| 200 grados | 15.4 Ω | 15.6 A | 101% |
| 400 grados (en funcionamiento) | 15.6 Ω | 15.4 A | 100% |
Características de la corriente de arranque en frío-para un calentador de inmersión típico de PTFE de 4 kW y 240 V
Humedad en el aislamiento interno
El segundo problema-del arranque en frío es la humedad. El óxido de magnesio y otros materiales aislantes internos son higroscópicos. Si el calentador está inactivo durante la noche en un ambiente húmedo o si la caja del terminal no está sellada, la humedad puede migrar al aislamiento. Esto reduce la resistencia del aislamiento y puede crear una ruta conductora parcial entre el elemento y tierra.
Cuando se aplica energía, la humedad en el aislamiento comienza a conducirse. La corriente de fuga se suma a la corriente de carga normal, aumentando la corriente total a través del interruptor. En casos severos, la corriente de fuga por sí sola es suficiente para disparar un disyuntor de falla a tierra.
A medida que el calentador se calienta, la humedad se elimina. La resistencia del aislamiento se recupera y la corriente de fuga cae. Esta es la razón por la que los disparos a menudo se producen sólo durante el arranque en frío y desaparecen una vez que el calentador ha estado funcionando durante unos minutos.
| Condición de aislamiento | Resistencia de aislamiento a 20 grados. | Corriente de fuga a 240V | Riesgo de disparo del interruptor |
|---|---|---|---|
| Calentador seco y nuevo. | >500 MΩ | <1 μA | Ninguno |
| Calentador seco y envejecido | 100–500 MΩ | 1–2 μA | muy bajo |
| Humedad ligera | 10–50 MΩ | 5–24 μA | Bajo-moderado |
| Humedad moderada | 1–10 MΩ | 24–240 μA | Moderado-alto |
| Humedad intensa | <1 MΩ | >240 μA | Alto |
Resistencia de aislamiento y corriente de fuga en arranque en frío para calentadores de inmersión de PTFE
Disyuntores de tamaño insuficiente y tramos de cable largos
El disyuntor debe tener el tamaño adecuado para la corriente de estado estable-del calentador más un margen para la irrupción y la variación de voltaje. Para un calentador de 4 kW y 240 V que consume 16,7 A en estado estable, el mínimo es un disyuntor de 20 A. Un disyuntor de 25 A proporciona más margen para-arranque en frío.
La caída de voltaje en tramos de cable largos reduce el voltaje en el calentador, lo que aumenta la corriente para la misma potencia de salida. Una caída de voltaje del 5% aumenta la corriente en aproximadamente un 5%. Si el interruptor se dimensionó sin tener en cuenta la caída de voltaje, la combinación de bajo voltaje y arranque en frío-puede exceder el umbral de disparo.
| Potencia del calentador | Corriente de estado-estable a 240 V | Disyuntor mínimo | Interruptor recomendado | Notas |
|---|---|---|---|---|
| 2 kilovatios | 8.3 A | 15 A | 15 A | Cables cortos |
| 3 kilovatios | 12.5 A | 15 A | 20 A | Tramos de cable moderados |
| 4 kilovatios | 16.7 A | 20 A | 25 A | Largos tramos de cable |
| 5 kilovatios | 20.8 A | 25 A | 30 A | Largos tramos de cable |
| 6 kilovatios | 25.0 A | 30 A | 35 A | Largos tramos de cable |
Recomendaciones de tamaño de disyuntores para calentadores de inmersión de PTFE monofásicos-a 240 V
Distinguir los disparos de arranque en frío-de otras fallas
No todos los viajes-en frío suponen un problema de tamaño o humedad. El patrón de viajes proporciona información de diagnóstico.
Un disparo que ocurre todas las mañanas al inicio y no se repite después del reinicio es característico de un inicio en frío-irrupción o humedad. Es probable que el calentador esté en buen estado, pero el disyuntor o la instalación son marginales.
Un disparo que se produce durante el inicio y se repite inmediatamente después del reinicio indica una falla grave-un cortocircuito, una falla a tierra o un elemento fallido. El calentador debe probarse antes de intentar operarlo nuevamente.
Un disparo que ocurre aleatoriamente durante la operación, no solo al inicio, indica una falla en desarrollo-degradación del aislamiento, una conexión floja o un controlador defectuoso. El calentador debe ser inspeccionado y probado.
Soluciones prácticas para viajes-con arranque en frío
Aumente el tamaño del interruptor a la siguiente clasificación estándar por encima del valor recomendado. Un disyuntor de 25 A para un calentador de 4 kW proporciona margen para un arranque en frío-sin comprometer la protección.
Verifique que el voltaje de suministro esté dentro del 5 % del valor de la placa de identificación en los terminales del calentador. Si la caída de voltaje es excesiva, aumente el tamaño del conductor o reduzca la longitud del cable.
Seque el calentador antes de encenderlo si se sospecha que hay humedad. La aplicación de bajo voltaje-25 a 50 % del valor nominal durante 15 a 30 minutos expulsa la humedad del aislamiento interno sin generar calor total. Esto es particularmente importante para los calentadores que están inactivos durante períodos prolongados en ambientes húmedos.
Selle la caja del terminal para evitar el ingreso de humedad. Una cubierta con junta, una entrada de cable sellada y un paquete desecante dentro del gabinete reducen la humedad que llega al aislamiento interno.
Cuando los viajes-en frío revelan un problema más profundo
Los repetidos arranques-en frío de un calentador que se prueba que está en buen estado a menudo indican que la instalación es marginal. Los disyuntores de tamaño insuficiente, la caída excesiva de voltaje o el ingreso crónico de humedad son problemas de instalación, no problemas del calentador. Corregir la instalación es más efectivo que reemplazar el calentador.
Una configuración personalizada de calentador de inmersión de PTFE con gabinetes de terminales sellados, aislamiento interno-resistente a la humedad y un diseño de elemento adaptado al voltaje de suministro aborda la causa raíz de los disparos de arranque en frío-. El proceso de especificación requiere el voltaje de suministro, el tamaño del disyuntor, la longitud del cable, las condiciones ambientales y el ciclo de funcionamiento del calentador.
