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

Protecciones de contactos indirectos y fugas a tierra
Las protecciones de los seres vivos y contraincendios es la sección más importante de las protecciones.
Los dispositivos que tienen encomendado esta protección deberán cumplir con unos requisitos muy estrictos, ya que de ellos dependerá nuestra propia integridad.

Fig. 7 : Protección mediante relé diferencial

Hasta ahora en ésta página hemos descrito las protecciones que salvaguardan a los equipos, maquinaria e instalaciones eléctricas. Existían unas intensidades límite que no debían ser sobrepasadas, ya que de ellas dependía el correcto funcionamiento de las instalaciones. Las partes o materiales que primeramente recibían los efectos negativos de las altas temperaturas generadas por el paso de corrientes eléctricas demasiado elevadas eran los aislantes, pero no obstante, eran necesarios varios amperios para que esto ocurriera.

Cuando nos referimos a protección de seres vivos, el concepto es muy diferente, son suficientes unos pocos miliamperios para provocar la electrocución de un ser humano. Los miliamperios que provocan serios peligros en los seres vivos no son tan siquiera detectados por los relés térmicos, que empiezan a funcionar a partir de valores mucho mayores (10 A por ejemplo), y aun con mucha lentitud.

Nos encontramos, pues, delante de un problema: si creamos dispositivos capaces de interrumpir el fluido eléctrico con valores de intensidad no peligrosos para los seres vivos (mA), la potencia que obtendremos será tan baja que resultarán del todo inservibles. Si por el contrario los elementos de corte permiten pasar varios amperios (para obtener así potencias acordes con el consumo actual), antes de producirse el corte del suministro eléctrico, por detección de los dispositivos de corte térmicos o magnéticos, resultarán intensidades del todo inapropiadas para la protección de los seres vivos.

El problema se solucionó con la incorporación a los sistemas de protección del relé diferencial, el cual permite pasar la intensidad necesaria demandada por las instalaciones actuales de potencia, pero al mismo tiempo permite una alta protección para los seres vivos.

Fig..8 Efectos de la corriente eléctrica sobre el cuerpo humano y zonas de tetanización

El relé diferencial está formado por un núcleo magnético con unas bobinas y dispositivos a él conectadas. A través de este núcleo magnético pasan los conductores activos (fase y neutro en un suministro monofásico, por ejemplo). Uno de estos conductores es el de la entrada de la energía (primario del núcleo), mientras que el otro corresponde el retorno de la misma (secundario del núcleo).

Si no se produce ninguna fuga los amperios que han entrado a través del diferencial, una vez hayan realizado su labor (encender una bombilla, alimentar un aparato eléctrico, etc.), retornarán por el segundo conductor sin haber sufrido disminución alguna, no actuando el dispositivo de protección, ya que está recorrido por dos corrientes del mismo valor pero de sentidos opuestos. Si se produce una fuga en algún punto de la instalación (contacto accidental de una persona, por ejemplo), ya no existirá igualdad entre las intensidades, produciéndose un desequilibrio en los flujos generados en los bobinados del núcleo magnético, que crearán una fuerza magnética capaz de producir la desconexión del diferencial.

A la diferencia de intensidades (la intensidad de ida menos la intensidad de retorno) capaz de producir la desconexión del diferencial se le denomina sensibilidad del diferencial, existiendo en el mercado relés diferenciales con baja sensibilidad (actúan con diferencias de intensidad de 500 mA o 300 mA), de mediana sensibilidad (100 mA), o los más eficaces, de alta sensibilidad (30 mA o 10 mA).

Son principios diferentes, por tanto, los que hacen actuar al relé diferencial del resto de relés (térmicos o magnéticos). Mientras que el diferencial actúa por comparación de intensidades, sin importarle demasiado (dentro de los límites permitidos por el componente) las intensidades que por él circulen (siempre que éstas sean iguales); para el resto de relés, lo realmente importante es el valor de la intensidad que circula por ellos, disparándose cuando ésta alcanza unos límites prefijados, e importando poco (mientras no se llegué a éste límite) las variaciones que la intensidad pueda observar.

Es decir, y simplificando; un relé térmico o magnético no disparará si no se sobrepasa su límite de intensidad prefijado, siendo a efectos del relé, indiferente sí esta intensidad alimenta un receptor o bien se pierde en una fuga. Si la protección es por relé diferencial, se invierten los términos, no disparará por límite de intensidad (mientras no resulte peligroso para él mismo), sino que sólo actuará cuando se produzca un desequilibrio entre las corrientes que por él circulan, aunque estas corrientes sólo representen unos miliamperios.

Fig. 9 Diversas formas de detección de contactos a tierra. a ) Protección en la conexión del neutro del transformador b) Protección en una salida del cuadro de distribución

Para la detección de cortocircuitos fase-neutro es posible incorporar, en la mayoría de interruptores de baja tensión, un elemento de desconexión magnetotérmico en el conductor neutro, con ajustes inferiores a los de los elementos de fase. Normalmente, los calibres de este elemento son del 50% al 60% de los elementos de fase.

El relé diferencial encuentra su mayor campo de aplicación en la protección personal contra contactos accidentales. Éste puede ser el caso cuando se toca la carcasa de un aparato con un defecto de aislamiento.

La protección diferencial debe ser lo más sensible y rápida posible; los calibres más utilizados son 10 mA, 30 mA y 300 mA. Obviamente, la corriente resultará del cociente entre la tensión en el punto de contacto y la resistencia que presente el individuo. Este último valor depende de múltiples factores, pero es evidente la bondad del elemento de protección.

En algunas aplicaciones es posible equipar el elemento diferencial en el propio interruptor magnetotérmico de protección, con lo que éste cumple con la doble finalidad de protección contra cortocircuitos y contra contactos y fallos de aislamiento a tierra. En otros casos, el relé diferencial debe montarse aparte de los otros dispositivos de protección, siempre aguas arriba respecto a los demás dispositivos.

El relé diferencial es también una protección eficaz contra los incendios, al detectar de forma rápida las fugas de intensidad, evitando de esta forma, la formación de calor por efecto Joule.

Eventualmente, y cuando la importancia de la instalación (generalmente industrial) lo requiera, se utilizan relés indirectos en las diferentes modalidades conocidas.

Cortacircuitos fusibles

Los fusibles son el sistema más antiguo de protección contra fallos eléctricos. Estos dispositivos han perdurado a través del tiempo gracias a unas innegables ventajas:

- Son de construcción rápida y sencilla.

- Tienen un bajo coste.

- Son muy rápidos (hasta 5 ms).

- Dispone de valores de ruptura muy altos (hasta 100 kA).

Presentan, no obstante, algún inconveniente:

- Cada defecto provoca la ruptura o destrucción del fusible, y por tanto, debe sustituirse el componente.

- Es difícil su calibración temporal, siendo prácticamente imposible obtener respuestas precisas con ellos.

Según normas eléctricas, un fusible es un aparato de conexión que tiene como misión el abrir el circuito en el que está instalado, por fusión de uno o varios elementos destinados y diseñados para este fin, cortando la corriente cuando excede de un determinado valor preestablecido.

Un fusible convencional consta de:

- Base portafusibles: parte fija provista de bornes destinados a ser conectados a la red y que comprende todos los elementos que aseguran su aislamiento.

- Cartucho fusible: comprende el elemento o elementos fusibles, que es necesario substituir por otro nuevo después del funcionamiento del cortocircuito y antes de que éste sea puesto de nuevo en servicio. Existen de varias tensiones e intensidades.

Fig. 10 Diversos modelos de fusibles cortacircuitos a) Fusible cilíndrico b) Fusible tipo doméstico c) Fusible de cuchilla

El funcionamiento del fusible es sencillo; cuando una intensidad dentro de lo valores nominales pasa por el filamento del fusible, el hilo del filamento evacuará el exceso de calor producido por el paso de intensidad sin problemas. Mas cuando la intensidad llegue a valores superiores a su valor nominal, no se podrá evacuar este calor, produciéndose la fusión del hilo del fusible (tiempo de prearco, que depende de la intensidad del circuito). En este punto el fenómeno es ya irreversible, pero la corriente no cesa de forma inmediata, sino que se prolonga durante un tiempo al que se denomina tiempo de arco, este tiempo es directamente proporcional a la tensión del circuito. El tiempo total es la suma de los dos anteriores, siendo el tiempo que tarda en desaparecer completamente la corriente.

Supóngase que un circuito se cierra sobre un defecto. En el instante de la conexión, la tensión tiene cierto valor dado sobre la alternancia. La corriente está relacionada con la tensión por el desfase. La corriente de cortocircuito puede establecerse en un punto tal de la alternancia de la tensión que, teniendo en cuenta el desfase:

  • La intensidad pase por cero (simetría). Si cos φ =1, este momento corresponde al de tensión nula.
  • La intensidad pase por su valor máximo (asimetría total). Si cos φ =1, este valor corresponde al valor máximo de tensión.
  • La intensidad tenga un valor cualquiera sobre la alternancia (diversos grados de asimetría).
  • El valor eficaz de la corriente de cortocircuito venga dado por las siguientes expresiones:

1 En régimen simétrico:

2 En régimen asimétrico total:

En realidad, en este último caso, el valor real I´p es ligeramente inferior a Ip, por tanto:

Fig. 11 Diversas variantes de cortocircuitos dependiendo de la simetría del sistema

Antes de que la corriente haya alcanzado el valor previsto de cortocircuito Ip, el fusible corta el circuito en un tiempo t. La corriente aumentará de valor durante un tiempo t1 (tiempo de prearco). Al cabo del tiempo t1, el elemento fusible estará en estado de fusión; este fenómeno resulta irreversible, formándose en el interior del fusible un arco que se extinguirá en un tiempo t2 (tiempo de arco que depende de la tensión), siendo el tiempo total de funcionamiento del fusible:

Fig. 12 Zona de funcionamiento de un fusible cortacircuitos

En el tiempo t, la intensidad no alcanza el valor de cresta Ip de la corriente de cortocircuito. El valor Icc de la corriente cortada se denomina corriente de limitación.

La zona de funcionamiento de un fusible está pues delimitada por:

  1. La curva mínima de prearco (tiempo t1)
  2. La curva máxima de funcionamiento total (tiempo t= t1 + t2)

Por debajo de esta zona está asegurada la no fusión del fusible; por encima de esta curva, la fusión es segura. Entre ambas queda una zona de incertidumbre. Como el tiempo de arco t2 es esencialmente función de la tensión, se deduce que la zona de incertidumbre es tanto más ancha cuanto más elevada sea la tensión de servicio. Por lo general, se dan los valores para la tensión máxima de servicio.

Fig. 13 Curva de esfuerzos térmicos de un fusible cortacircuitos en función de la corriente de cortocircuito

Los fusibles pueden ser rápidos o lentos. En los lentos se retrasa notablemente la desconexión recurriendo a artificios especiales (por ejemplo, insertando puntos gruesos de soldadura en el alambre fusible). Un fusible rápido, por ejemplo, desconecta bajo una corriente 5 veces la nominal, aproximadamente en 0,1s, mientras que un fusible lento no lo hace hasta que ha transcurrido 1s.

Fig. 14 Curva de los tiempos de disparo de un fusible en función de la intensidad

Por otra parte, también pueden clasificarse los fusibles en estos dos grupos:

• Fusible normal o de distribución: conviene para todos los circuitos que no presentan sobrecargas pasajeras importantes. Puede actuar como sistema de protección individual aunque no es aconsejable (fusibles tipo "g").

Fusible de motor o de acompañamiento: conviene para asegurar la protección contra cortocircuitos en los circuitos que normalmente presentan sobreintensidades temporales importantes, cuando, por otra parte, estos circuitos ya están protegidos contra las sobrecargas por dispositivos apropiados. El caso más frecuente es el de los motores protegidos por relés térmicos (fusibles tipo "M").

Fig. 15 Curvas de tiempo intensidad normalizadas para fusibles gL (de uso general) y gM (para la protección de motores)

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