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Technical Documents - Documentos Técnicos: Líneas eléctricas. Protección contra sobrecargas. Cortocircuitos. Relés. Puesta a tierra

Todos los circuitos, cables y aparatos deben protegerse inexcusablemente, por imperativo legal, contra los efectos perjudiciales de las sobrecargas y los cortocircuitos. En España, el Reglamento Electrotécnico de Baja Tensión, en sus instrucciones MI.BT020 y MI.BT021, así lo establece.
Esta protección se realizará mediante dispositivos que sean capaces de producir la desconexión del circuito en un tiempo apropiado, cuando la intensidad supere un valor preestablecido.
Los dispositivos previstos en el Reglamento, capaces de cumplir esta función son:

- Protección contra sobrecargas
- Interruptores automáticos con relé térmico
- Fusibles de características y calibre apropiados

- Protección contra cortocircuitos
- Interruptores automáticos con relé magnético
- Fusibles de características y calibre apropiados

- Protección contra contactos a tierra
- Dispositivos diferenciales

Protecciones contra sobrecargas. Relé térmico
Se entiende que un circuito está afectado por una sobrecarga cuando los valores de sus intensidades alcanzan valores más elevados que las correspondientes a su valor nominal, pero sin exceder demasiado de él (de 1.1In a 3In), aparte, no se producen de forma instantánea, permitiendo al circuito adaptarse a los cambios. No son por tanto demasiado perjudiciales, siempre que su duración no permita que se alcancen temperaturas inadmisibles en los aislantes de los circuitos. Es más, para una correcta utilización de las instalaciones y maquinas es bueno que los dispositivos de seguridad permitan en cierto modo y durante un tiempo determinado,estas sobrecargas, evitándose así desconexiones indebidas que perjudicarían el normal funcionamiento del arranque de los motores, por ejemplo.

Esto implica que el dispositivo de protección contra sobrecargas sea inteligente, es decir, que permita el paso de intensidades bajas durante un cierto tiempo y, en cambio, con intensidades peligrosas actúe con rapidez. A estos dispositivos se les denomina de tiempo-dependiente o característica térmica inversa, ya que a mayor temperatura (mayor intensidad) el tiempo de disparo decrece. Normalmente,el dispositivo mide el calentamiento indirectamente mediante el control de la intensidad que recorre el circuito.

Fig. 1: Características tiempo-corriente de un relé térmico

La curva de disparo del relé térmico puede observarse en la figura 1, en ella se aprecia:

- Los ejes se gradúan normalmente en: ordenadas (logaritmo de tiempos) y abscisas (relación entre intensidades).
- El valor inicial de disparo (intensidad de arranque), coincide con un 10% o 15% superior al valor de la intensidad nominal, lo que permite evitar disparos indebidos por pequeñas sobrecargas completamente normales en el funcionamiento habitual de una instalación.
- La curva sigue una trayectoria descendente exponencial, permitiendo a las intensidades superiores en un 20% al valor nominal circular durante media hora, y en cambio, a las intensidades superiores al 50% de su valor nominal fluir sólo durante 2 minutos.
- Existen realmente dos curvas: una en vacío (cuando se produce la primera desconexión y por tanto el bimetal se encontraba en frío), y una en temperatura (cuando ya ha desconectado en más de una ocasión y por tanto el bimetal tenia una temperatura adquirida).
- Las curvas de disparo suelen darse para una temperatura ambiente estándar de 20ºC.

La correcta elección del relé térmico pasa por dos grandes supuestos:
- Si conocemos la imagen térmica del elemento a proteger o curva tiempo-corriente admisible (lo que ocurre en contadas ocasiones, ya que lo normal es que los elementos o máquinas no dispongan de la misma, o por el contrario se proteja con el relé a más de un componente), la elección del relé se efectuará de forma que la curva del mismo siempre esté por debajo de la curva límite del elemento o conductor a proteger.

Fig. 2: Elección del relé térmico conocida la imagen térmica del elemento a proteger

Si la imagen térmica del elemento a proteger no es conocida (caso más habitual), se seguirá, en este caso para la elección del relé, lo prescrito por las normas UNE y CEI. Es importante para una correcta elección tener presente, entre otras cosas: las características de arranque de la máquina (corriente, duración y frecuencia), la temperatura ambiente (del relé térmico y del elemento a proteger), las condiciones extremas de funcionamiento (posibles sobrecargas temporales), etc.

Normalmente los relés suelen proporcionar una protección muy conservadora, siendo suficiente, en la mayoría de las ocasiones, con seguir las pautas señaladas para una correcta y segura elección.
El elemento básico de un relé térmico contra sobrecargas es una lámina bimetálica, es decir, una lámina constituida por dos metales de diferente coeficiente de dilatación (el metal superior suele ser más sensible a los cambios de temperatura) y calentada por la corriente que atraviesa el circuito principal; este calentamiento puede ser:

1. Directo: si por la bilámina pasa toda la corriente del circuito.
2. Indirecto: si la corriente pasa por un arrollamiento calefactor que rodea la bilamina.

Fig. 4: Relé térmico: en frío y después de recibir el paso de una gran intensidad

El funcionamiento del relé es sencillo; cuando una intensidad, dentro de los valores normales, circule por la lámina bimetálica, se producirá un calor que será disipado sin dificultad por el mismo material, mas cuando la intensidad alcance valores mayores a los permitidos, la bilámina ya no podrá disipar tanta energía calorífica y comenzará el proceso de dilatación. Al estar las láminas unidas mecánicamente o por soldadura, resulta imposible su elongación por separado, así el metal cuyo coeficiente de dilatación sea mayor no tendrá más alternativa que curvarse sobre el material con coeficiente de dilatación menor, de forma que: si se fija uno de los extremos de la lámina bimetálica, el otro extremo no tendrá más opción que desplazarse hacia el lugar ocupado por el metal de menor coeficiente de dilatación térmica.

Si esta bilámina, al llegar en su curvatura a un punto determinado, acciona algún mecanismo, abre un contacto o actúa sobre cualquier otro dispositivo solidario como la bobina de un contactor, puede conseguirse la desconexión del circuito por abertura del relé térmico. Aparte, es importante destacar que este sencillo elemento es capaz de dar respuesta a la curva deseada para las sobrecargas (curva a tiempo inverso), ya que si la intensidad es pequeña, la lámina bimetálica tardará mucho en doblarse (desconexión), en cambio si la corriente es grande, también será grande el calor por efecto Joule producido, siendo la desconexión mucho más rápida.

Para las instalaciones de potencia, con intensidades elevadas, los relés serían costosos y de grandes dimensiones. Para evitar ese inconveniente, en estos casos, por los relés no pasa la totalidad de la intensidad, sino una parte proporcional de la misma, que es proporcionada por el secundario de un transformador de intensidad conectado con el circuito principal.

Protecciones contra cortocircuitos. Relé magnético
Los cortocircuitos son defectos que producen intensidades muy elevadas (con 5 veces la In, puede considerarse un cortocircuito franco), bruscas (la elevación se produce en un intervalo de tiempo muy pequeño) y destructivas. Los cortocircuitos ocurren cuando en un circuito desaparece toda o parte de su impedancia, manteniéndose la tensión prácticamente constante. Todo ocurre como si de repente un circuito con una cierta impedancia, debido a un fallo de aislamiento o por una operación incorrecta, perdiera parte de esta impedancia elevándose bruscamente la intensidad.
Un ejemplo nos permitirá una mejor comprensión: supongamos una vivienda con 220 V de tensión; esta vivienda, dispone de una toma de corriente a la que se conecta una bombilla de 100 W. La resistencia de la bombilla será:

Con la citada tensión le corresponderá una intensidad de:

Intensidad completamente aceptable.
Si por un error de conexión o fallo de aislamiento, los dos terminales de la toma de corriente entran en contacto (circuito corto), la resistencia disminuirá a valores muy bajos (del orden de décimas de Ω), quedando la intensidad con un valor:

Este valor tan alto de la intensidad producirá de inmediato dos efectos negativos:
- Un efecto térmico: formación de plasma (no son raros valores de 2000ºC y aún mayores), con la transformación de la mayor parte de los materiales a este estado.
- Un efecto electrodinámico: grandes esfuerzos magnéticos de atracción o repulsión, que suelen destruir los bobinados de las máquinas eléctricas o proyectar violentamente los elementos bajo su influencia.
La secuencia de daños que pueden producir estas corrientes son, sucesivamente:
- Envejecimiento de los aislamientos
- Carbonización o inflamación de los aislamientos
- Fusión de los conductores
- Disminución de las características mecánicas de las partes conductoras o metálicas
adyacentes (resortes, etc..)

El primero de los efectos señalados, envejecimiento de los aislamientos, suele presentarse con intensidades no muy elevadas, siendo suficientes unos 160ºC para que, materiales tan frecuentes como el PVC (policloruro de vinilo) comiencen a deteriorarse. Para evitarlo, la temperatura momentánea no debe superar nunca los valores especificados por los fabricantes.

Los cortocircuitos, por tanto, son siempre perjudiciales y deben interrumpirse cuanto antes. Por este motivo, los dispositivos de protección contra ellos deben ser instantáneos y han de actuar sobre equipos capaces de abrir el circuito en presencia de estas corrientes elevadas. El medio más utilizado para la protección contra cortocircuitos es el interruptor de potencia.
Con el objetivo de cumplir adecuadamente sus misiones de mando y protección, los interruptores de potencia suelen estar provistos de toda una serie de mecanismos y dispositivos de desenganche o desconexión. A continuación se citan los más importantes:

1. Dispositivos térmicos de desenganche con retardo dependiente de la corriente: se utilizan para la protección contra sobrecargas.

2. Dispositivos de desenganche electromagnéticos de sobreintensidad: son utilizados como desenganches rápidos para la protección contra cortocircuitos. Estos dispositivos actúan por atracción electromagnética no retardada (o sólo brevemente retardada) de una armadura y se ajustan, según los impulsos de carga admisibles, a un múltiplo de la corriente nominal, de forma que no reaccionan a las intensidades de arranque y a las sobrecargas normales de servicio.Los dos dispositivos de desenganche citados son atravesados por la corriente principal. En general, para la protección contra sobreintensidades es válido el criterio de que, las sobrecargas normales de servicio deben ser desconectadas lo más tarde posible, pero siempre, por supuesto, antes de que se alcance un calentamiento peligroso de las partes
protegidas de la instalación; por el contrario, los cortocircuitos deben ser desconectados con tanta rapidez como sea posible, considerando la selectividad del conjunto de la red (para proteger todas las partes de la instalación atravesadas por la corriente de cortocircuito) contra los efectos térmicos, y a ser posible, contra los efectos electrodinámicos(éstos crecen proporcionalmente con cuadrado de la intensidad de la corriente).

3. Dispositivos de desenganche magnetotérmicos: constituidos por la combinación, en un sólo bloque, de los dispositivos térmicos contra las sobrecargas y de los electromagnéticos contra cortocircuitos, indicados anteriormente.

Fig. 6: Curva de disparo de un sistema con protección magnetotérmica

4. Dispositivos de desenganche electromagnéticos de mínima tensión: están conectados a la tensión de servicio y disparan al disminuir la tensión hasta un 50% de su valor nominal, aproximadamente, soltando su armadura magnética. De esta forma, impiden el nuevo arranque automático de los motores u otros órganos protegidos, cuando al volver la tensión de servicio a un 70% aproximadamente de la tensión nominal, se produce la conexión de su interruptor. Mediante un dispositivo temporizador con un retardo de 2s, en interruptores de 100 A en adelante, puede impedirse el disparo en el caso de caídas de tensión de corta duración (por ejemplo, a consecuencia de un reenganche rápido en el caso de un cortocircuito). Los interruptores con dispositivo de desenganche de mínima tensión sin retardo pueden emplearse también para desenganche a distancia. Para los que tienen dispositivo de retardo, es necesaria una bobina de desenganche por corriente de trabajo. Para el disparo a distancia se interrumpe el circuito de mínima tensión, o se puentea su bobina a través de una resistencia limitadora.

5. Dispositivos de desenganche electromagnéticos de corriente de trabajo (emisión de corriente). Se utilizan para el disparo a distancia, por cierre de su circuito de corriente, en interruptores de trinquete. Reaccionan con un 50% de su tensión nominal y se desconectan por medio de un contacto auxiliar del interruptor de potencia.
La unión de los relés térmico y magnético conlleva la protección simultánea contra las sobrecargas y los cortocircuitos, siendo el dispositivo de protección más habitual en instalaciones de baja tensión.

De estos dispositivos destacan dos valores de intensidades que se designan por poder de corte y poder de cierre:

• Poder de corte: es la intensidad más elevada que un interruptor es capaz de cortar de forma cómoda y segura.
• Poder de cierre: es el valor máximo de la intensidad que un interruptor puede soportar, corriéndose el riesgo, para intensidades mayores, de la destrucción del mismo.

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