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PROTECCIONES
I.E.S. María Ibars
PROTECCIONES
El Reglamento Electrotécnico de Baja Tensión distingue entre:
o
o
la protección de las instalaciones, ITC – BT 22 (INSTALACIONES INTERIORES O
RECEPTORAS PROTECCIÓN CONTRA SOBREINTENSIDADES), y
la protección de las personas o bienes ITC – BT 24 (INSTALACIONES INTERIORES O
RECEPTORAS PROTECCIÓN CONTRA LOS CONTACTOS DIRECTOS E INDIRECTOS)
PROTECCION DE INSTALACIONES
La ITC – BT 22 nos dice que las sobreintensidades pueden estar motivadas por:
o
o
o
Sobrecargas debidas a los aparatos de utilización o defectos de aislamiento de gran
impedancia.
Cortocircuitos.
Descargas eléctricas atmosféricas
a) Protección contra sobrecargas. El límite de intensidad de corriente admisible en un conductor ha
de quedar en todo caso garantizada por el dispositivo de protección utilizado.
El dispositivo de protección podrá estar constituido por un interruptor automático de corte
omnipolar con curva térmica de corte, o por cortacircuitos fusibles calibrados de características
de funcionamiento adecuadas.
SOBRECARGAS. Una sobrecarga de los componentes de las instalaciones se produce cuando
durante un servicio normal las intensidades de la corriente superan los valores asignados durante
periodos de tiempo prolongados, o cuando el equipamiento eléctrico como, por ejemplo, los motores
o los conductores no se calcularon adecuadamente. Estas intensidades de la corriente calientan los
paquetes de bobinas del devanado de los motores y los conductores hasta valores excesivos que
disminuyen la vida útil de sus aislamientos.
La función de la protección contra sobrecargas es la de admitir las sobrecargas correspondientes a
un servicio normal, pero desconectarlas antes de que excedan el tiempo admisible de carga.
b) Protección contra cortocircuitos. En el origen de todo circuito se establecerá un dispositivo de
protección contra cortocircuitos cuya capacidad de corte estará de acuerdo con la intensidad de
cortocircuito que pueda presentarse en el punto de su conexión.
Se admiten como dispositivos de protección contra cortocircuitos los fusibles calibrados de
características de funcionamiento adecuadas y los interruptores automáticos con sistema de
corte omnipolar.
CORTOCIRCUITOS. En el origen de todo circuito se establecerá un dispositivo de protección contra
cortocircuitos cuya capacidad de corte estará de acuerdo con la intensidad de cortocircuito prevista
en el punto de la instalación.
Las causas de un cortocircuito pueden ser un defecto del aislamiento o una conexión incorrecta. Los
cortocircuitos están vinculados, por lo general, con un arco voltaico.
Los arcos debidos a cortocircuitos pueden destruir las instalaciones y poner en peligro al personal de
servicio. La intensidad de la corriente de un cortocircuito produce una considerable sobrecarga
térmica y dinámica en los conductores por los que circula y también en los demás componentes de la
instalación.
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PROTECCIÓN DE PERSONAS Y BIENES
La ITC – BT 24 nos dice que la protección contra los contactos indirectos se consigue con uno de los
medios siguientes:
Protección por corte automático de la alimentación
Protección por empleo de equipos de la clase II o por aislamiento equivalente.
Protección en los locales o emplazamientos no conductores
Protección mediante conexiones equipotenciales locales no conectadas a tierra
Protección por separación eléctrica
o
o
o
o
o
En este trabajo solo veremos la protección por corte
automático de la alimentación
En los apartados que siguen vamos a ver los elementos
de protección así como sus características.
DISPOSITIVOS DE PROTECCIÓN
FUSIBLES
Podemos definir el fusible como un dispositivo de protección contra
sobreteintensidades que contiene un elemento de fusión calibrado
que transporta la corriente y que funde y abre un circuito bajo
condiciones específicas de sobreintensidad.
Los fusibles los construye el fabricante para funcionar bajo unas
condiciones determinadas. A estas condiciones se les llama "valores
nominales"
VALORES NOMINALES DE LOS FUSIBLES
Los valores nominales se refieren a la intensidad, tensión y potencia
disipada.
•
INTENSIDAD NOMINAL. Es el valor eficaz,
en corriente alterna, sobre la que se han
definido todas las características de un
fusible.
•
TENSIÓN NOMINAL. Es el valor eficaz, en
corriente alterna, máximo entre fases de la
red, para la que ha sido previsto el
funcionamiento de un fusible.
•
POTENCIA DISIPADA. Es el consumo
previsto, al ser atravesado el fusible por su
intensidad nominal una vez alcanzada su
temperatura de régimen.
FUNCIONAMIENTO DE UN FUSIBLE
Cuando la intensidad que atraviesa un fusible,
excede el valor permitido, se inicia el proceso de
fusión de éste. El proceso consta de dos fases:
tiempo de prearco y tiempo de arco.
Tiempo de prearco
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Tiempo que transcurre desde que aparece el defecto hasta que se produce la
fusión
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Tiempo de arco
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Intervalo de tiempo desde que se inicia la fusión (arco) hasta la eliminación
total del defecto
La intensidad limitada de corte es el valor máximo instantáneo de la corriente, alcanzado durante el
funcionamiento del fusible cuando este impide que la corriente de defecto alcance el valor de cresta.
En un circuito, si sustituyésemos el fusible por un cable, en caso de cortocircuito, el valor eficaz de la
corriente llegaría a un valor denominado intensidad prevista de corte.
PODER DE CORTE
Los fusibles pueden soportar, debido a su capacidad de limitar las corrientes de cortocircuito,
elevadas corrientes de cortocircuito en un espacio de extinción muy pequeño. Cuanto mayor es la
limitación de la corriente, tanto mayor será la capacidad de ruptura en igual espacio de extinción.
La efectividad en la limitación de la corriente y la elevada capacidad de ruptura consecuente, son
características específicas de los fusibles, que los convierten en elementos indispensables en la
técnica de protección contra cortocircuitos.
La intensidad máxima que un fusible sería capaz de interrumpir se le llama poder de corte y viene
expresado en kA.
CURVAS t-I
Las empresas constructoras de fusibles facilitan las curvas (t-I), las cuales indican en que tiempo
funde un fusible para una intensidad determinada.
La curva característica de fusión
comienza con la mínima corriente
que aún logra fundir el elemento
fusible.
Para corrientes de hasta unas 20
veces la In. a efectos prácticos la
curva característica de fusión
coincide con la curva característica
de ruptura. A corrientes de
cortocircuito
mayores,
ambas
curvas características divergen. La
diferencia entre ambas curvas está
dada por el correspondiente
tiempo tL de extinción del arco, el
cual, no sólo depende del factor de
potencia, sino fundamentalmente,
de la tensión de servicio y de la corriente que se debe interrumpir.
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TIPOS DE FUSIBLES
Los fusibles de baja tensión se clasifican de acuerdo con sus características de funcionamiento y
según su forma constructiva.
Según las características de funcionamiento o curvas de fusión la Guía – BT 22 nos da la siguiente
tabla:
g
1ª
Letra
a
2ª
letra
G
M
Tr
B
R
D
CLASES DE CURVAS DE FUSIÓN
Cartucho fusible limitador de la corriente que es capaz de interrumpir todas las
corrientes desde su Intensidad asignada (In) hasta su poder de corte asignado.
Cortan Intensidades de sobrecarga y cortocircuito
Cartucho fusible limitador de la corriente que es capaz de interrumpir las corrientes
comprendidas entre el valor mínimo indicado en sus características tiempo – corriente
(k2In) y su poder de corte asignado.
Cortan solo Intensidades de cortocircuito
Cartuchos fusibles para uso genera
Cartuchos fusibles para protección de motores
Cartucho fusibles para protección de transformadores
Cartuchos fusibles para protección de líneas de gran longitud
Cartuchos fusibles para protección de semiconductores
Cartuchos fusibles con tiempo de actuación retardado
En cuanto a la forma constructiva podemos encontrarnos entre otros:
o
o
o
o
De cristal
Cilíndricos
De botella (D)
De cuchilla (NH)
Las aplicaciones típicas son:
o
Para la protección de líneas fusibles tipo gG.
o
Para la protección de motores fusibles tipo aM
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INTERRUPTORES AUTOMÁTICOS
INTERRUPTORES AUTOMÁTICOS DE CURVA TÉRMICA
Los interruptores automáticos de corte omnipolar con curva térmica de corte se apoyan en dos
principios de física:
•
El calor que produce una resistencia al ser atravesada por una corriente eléctrica (Ley de
Joule, Q = 0,24 RI2t).
•
La deformación de las láminas bimetálicas al variar la temperatura como consecuencia
del calor.
Según
esto
el
esquema
de
funcionamiento del elemento térmico
puede ser el de la figura siguiente, en
I
I
donde tenemos la lámina bimetálica L,
Rc
que va rodeada de la resistencia de
C
caldeo Rc. Cuando la intensidad I es la
I
nominal la cantidad de calor producido
es igual a la disipada y la lámina no se
deforma. Por tanto, el interruptor está
cerrado en forma permanente. En el
momento en que la intensidad aumenta, la cantidad de calor producida por efecto Joule es mayor que
la disipada, la lámina se calienta y deforma (en el sentido de los puntos) abriendo el balancín, que, a
su vez, abre el contacto C y corta el paso de la corriente por el interruptor.
Como al calentarse la lámina se deforma, para su rearme debe dejarse enfriar y recuperar su posición
inicial.
Estos Interruptores Automáticos se utilizan
símbolo es el siguiente:
para la protección de motores. Su
Sus características más habituales son:
9
9
9
9
9
tripolares,
compensados, es decir, insensibles a los cambios de la temperatura ambiente,
sensibles a una pérdida de fase (1), por lo que evitan el funcionamiento monofásico
del motor,
rearme automático o manual,
graduación en “amperios motor”: visualización directa en el relé de la corriente
indicada en la placa de características del motor.
Los relés térmicos tripolares poseen tres biláminas compuestas cada una por dos metales con
coeficientes de dilatación muy diferentes unidos mediante laminación y rodeadas de un bobinado de
calentamiento.
Cada bobinado de calentamiento está conectado en serie a una fase del motor. La corriente
absorbida por el motor calienta los bobinados, haciendo que las biláminas se deformen en mayor o
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menor grado según la intensidad de dicha corriente. La deformación de las biláminas provoca a su
vez el movimiento giratorio de una leva o de un árbol unido al dispositivo de disparo.
Si la corriente absorbida por el receptor supera el valor de reglaje del relé, las biláminas se
deformarán lo bastante como para que la pieza a la que están unidas las partes móviles de los
contactos se libere del tope de sujeción. Este movimiento causa la apertura brusca del contacto del
relé intercalado en el circuito de la bobina del contactor y el cierre del contacto de señalización. El
rearme no será posible hasta que se enfríen las biláminas.
Detección de una pérdida de fase
Este dispositivo provoca el disparo del relé en caso de ausencia de corriente en una fase
(funcionamiento monofásico). Lo componen dos regletas que se mueven solidariamente con las
biláminas. La bilámina correspondiente a la fase no alimentada no se deforma y bloquea el
movimiento de una de las dos regletas, provocando el disparo.
Los receptores alimentados en corriente monofásica o continua se pueden proteger instalando en
serie dos biláminas que permiten utilizar relés sensibles a una pérdida de fase. Para este tipo de
aplicaciones, también existen relés no sensibles a una pérdida de fase.
Clases de disparo
Los relés térmicos se utilizan para proteger los motores de las sobrecargas, pero durante la fase de
arranque deben permitir que pase la sobrecarga temporal que provoca el pico de corriente, y
activarse únicamente si dicho pico, es decir la duración del arranque, resulta excesivamente larga.
La duración del arranque normal del motor es distinta para cada aplicación. Suele ser de tan sólo
unos segundos (arranque en vacío, bajo par resistente de la máquina arrastrada, etc.) o de varias
decenas de segundos (máquina arrastrada con mucha inercia), por lo que es necesario contar con
relés adaptados a la duración de arranque. La norma IEC 947-4-1-1 responde a esta necesidad
definiendo tres tipos de disparo para los relés de protección térmica:
•
Relés de clase 10
Válidos para todas las aplicaciones corrientes con una duración de arranque inferior a 10
segundos.
•
Relés de clase 20
Admiten arranques de hasta 20 segundos de duración.
•
Relés de clase 30
Para arranques con un máximo de 30 segundos de duración.
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Modos de rearme
El relé de protección se puede adaptar fácilmente a las diversas condiciones de explotación eligiendo
el modo de rearme Manual o Auto (dispositivo de selección situado en la parte frontal del relé), que
permite tres procedimientos de rearranque:
•
Las máquinas simples que pueden funcionar sin control especial y consideradas no
peligrosas (bombas, climatizadores, etc.) se pueden rearrancar automáticamente cuando se
enfrían las biláminas:
•
En los automatismos complejos, el rearranque requiere la presencia de un operario por
motivos de índole técnica y de seguridad:
También se recomienda este tipo de esquema para los equipos de difícil acceso.
•
Por motivos de seguridad, las operaciones de rearme del relé en funcionamiento local y de
arranque de la máquina debe realizarlas obligatoriamente el personal cualificado:
Asociación con un contactor
Circuito de potencia: cada bobinado de calentamiento debe intercalarse en una fase o polaridad del
receptor protegido.
Circuito de control: el contacto de apertura del relé debe conectarse en serie dentro del circuito de la
bobina del contactor que controla la puesta bajo tensión del receptor.
Asociación con un dispositivo de protección contra los cortocircuitos
Los relés térmicos no sólo no protegen contra los cortocircuitos sino que requieren una protección
contra los mismos, por lo que es necesario asociarles un disyuntor o fusibles.
INTERRUPTORES AUTOMÁTICOS DE CURVA MAGNÉTICA. DISYUNTORES
B
I
I
C
R
I
N
A
Los interruptores automáticos de corte
omnipolar con curva magnética de corte está
basado en la fuerza de atracción que una
bobina con núcleo de hierro (electroimán)
ejerce sobre un elemento metálico al ser
alimentado por una corriente eléctrica.
El
funcionamiento
del
elemento
electromagnético puede explicarse de la
forma siguiente:
La bobina B está atravesada por la corriente
I, que crea en el circuito magnético un flujo
que atrae la armadura A con una fuerza F,
que es contrarrestada con el resorte R,
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manteniéndose cerrado el contacto C y, por tanto, circula corriente a su través. Si por cualquier causa
la intensidad aumenta, lo hará también el flujo, la fuerza F será mayor y vencerá el efecto del resorte,
con lo que el contacto se abrirá y dejará de pasar corriente.
Protegen los circuitos contra los cortocircuitos, dentro de los límites de su poder de corte a través de
disparadores magnéticos (un disparador por fase).
Dependiendo del tipo de circuito que se desea proteger (distribución, motor, etc.), el umbral de
disparo magnético se situará entre 3 y 15 veces la corriente térmica Ith. Dependiendo del tipo de
disyuntor, dicho umbral de disparo puede ser fijo o ajustable por el usuario.
Todos los disyuntores pueden realizar cortes omnipolares: la puesta en funcionamiento de un solo
disparador magnético basta para abrir simultáneamente todos los polos. Cuando la corriente de
cortocircuito no es muy elevada, los disyuntores funcionan a mayor velocidad que los fusibles.
Poder de corte es el valor máximo estimado de corriente de cortocircuito que puede interrumpir un
disyuntor con una tensión y en unas condiciones determinadas. Se expresa en kiloamperios
INTERRUPTORES AUTOMÁTICOS DE CURVA MAGNETOTÉRMICA
Los interruptores automáticos que utilizamos en nuestras instalaciones, son interruptores automáticos
de corte omnipolar con curva magnetotérmica, es decir une las dos curvas de disparo mencionadas
más arriba.
La Guía Técnica nos dice que los interruptores automáticos domésticos y análogos se definen en tres
clases de disparo magnético (Im) según el múltiplo de la corriente asignada cuyos valors
normalizados son:
-
Curva B Im = (3 ÷ 5) In
Curva C Im = (5 ÷ 10) In
Curva D Im = (10 ÷ 20) In
Los automáticos de curva B se utilizan
para la protección de generadores y
grandes longitudes de cable, para la
protección de líneas con cargas
resistivas
tales
como
calefacción
eléctrica, calentadores de agua, cocinas,
Los automáticos de curva C se utilizan
para la protección de cables que
alimentan
receptores
para
usos
generales tales como: alumbrado, tomas
de corriente, pequeños motores, etc.
Los automáticos de curva D se utilizan para la protección de cables que alimentan cargas con fuertes
puntas de arranque como pueden ser motores eléctricos con arranque directo.
Para conocer la selectividad de los interruptores automáticos debemos consultar las tablas que a tal
efecto suelen dar los fabricantes.
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DIFERENCIALES
CONSTITUCIÓN DE LOS DIFERENCIALES
Los diferenciales están constituidos por los siguientes elementos:
ƒ
El captador. Suministra una señal eléctrica útil en el momento que la suma de las
corrientes que circulan por los conductores activos es diferente de cero.
ƒ
Bloque de tratamiento de la señal. La señal eléctrica leída por el captador debe ser
siempre tratada electrónicamente en mayor o menor grado para lograr el correcto
funcionamiento del relé de medida y disparo, evitando al mismo tiempo funcionamientos o
disparos no deseados del dispositivo diferencial. La señal tratada se envía al relé de
medida y disparo.
ƒ
El relé de medida y disparo. Compara la señal eléctrica suministrada por el captador y
una vez tratada, con un valor de referencia y da, con un posible retardo intencionado, la
orden de apertura al aparato de corte asociado o dispositivo de maniobra.
ƒ
El dispositivo de maniobra de apertura del aparato (interruptor o interruptor automático),
situado aguas arriba del circuito eléctrico controlado por el diferencial, se denomina
disparador o accionador.
FUNCIONAMIENTO DE UN DIFERENCIAL
En un circuito en el cual no hay
ninguna fuga la intensidad de entrada
y la de salida son iguales
Ie = Is
Si por el contrario hubiese una fuga la
intensidad de entrada y de salida ya no
serian iguales
Ie = Is + Id
La pequeña diferencia de intensidades genera una
pequeña tensión, que suministra la energía a un
electroimán (EI) cuya parte móvil (la paleta A) se
mantiene “pegada” por la atracción del imán permanente
(IP). Cuando se alcanza el umbral de funcionamiento el
electroimán anula la fuerza de atracción del imán
permanente, la paleta móvil A, ayudada por un resorte R
que acelera su rotación, abre entonces el circuito
magnético y da la orden mecánica de apertura del
interruptor del circuito controlado.
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TIPOS DE DIFERENCIALES
Los diferenciales se pueden dividir en función del tipo de corriente
a detectar en:
9 El clase AC, para las corrientes alternas senoidales.
9 El clase A, para las corrientes alternas senoidales,
continuas pulsantes, o continuas pulsantes con una
componente continua de 6 mA, con o sin control del
ángulo de fase, que estén aplicadas bruscamente o
que aumenten lentamente.
9 El clase B, para las mismas corrientes que la clase A
pero,
además,
para
las
procedentes
de
rectificadores:
‰
‰
Clase AC
de simple alternancia con una carga capacitiva
que produce una corriente continua alisada,
trifásicos de alternancia simple o doble.
Las clases más utilizadas son la clase AC y la clase A. No obstante hay que hacer
notar que la actualidad cada vez es más raro encontrarse con ondas senoidales
puras, pues hay muchos elementos en las instalaciones (tubos fluorescentes,
elementos electrónicos, etc) que desvirtúan estas señales. Como consecuencia
de esto se debería utilizar cada vez más los diferenciales de clase A e ir olvidando
los de clase AC.
Clase A
En función de la sensibilidad se dividen en:
Alta sensibilidad
Media sensibilidad
Baja sensibilidad
AS
MS
BS
6 – 10 – 30 mA
100 – 300 – 500 mA
1–3–5-A
La Alta sensibilidad se utiliza para la protección de personas contra contactos indirectos, mientras que
la Media sensibilidad y la Baja sensibilidad se utiliza para otras necesidades de la protección contra
contactos indirectos (esquema TT), riesgos de incendio y de destrucción de las máquinas.
En todas las normas de protección diferencial se indica que el valor mínimo admitido de la corriente
diferencial de no funcionamiento (IΔno) es 0,5 IΔn. Es decir que las normas admiten como margen
correcto de disparo de un diferencial a los valores comprendidos entre IΔn y 0,5 veces IΔn.
EJEMPLO
Tenemos en la instalación de nuestra vivienda un diferencial con una sensibilidad
IΔn = 0,030 A (30 mA)
El disparo se puede producir entre los 15 mA y los 30 mA
Para cada una de estas clases existen diferentes tipos de disparo:
9 Instantáneo
9 Selectivo
Los disparos instantáneos disparan cuando aparece la corriente de defecto.
En los selectivos la activación actúa con retardo para permitir la selectividad con otros diferenciales
situados aguas abajo.
Además, en la actualidad existen en el mercado los diferenciales superinmunizados (Asi) según
Schneider o Hpi según Legrand). Estos diferenciales son del tipo A y cuentan con componentes
electrónicos para el filtrado de las corrientes. Esto los hace ideales para zonas en las que pueden
haber disparos intempestivos por causa de rayos o maniobras en las redes de distribución.
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SELECTIVIDAD DE LOS DIFERENCIALES
En el caso en que tengamos dos diferenciales
en serie (caso de la piscina), tendremos que
tener cuidad de que sean selectivos entre sí, y
que un defecto haga disparar el diferencial
situado aguas abajo y no el diferencial situado
aguas arriba.
Hay dos tipos de selectividad
9
Selectividad Amperimétrica: puesto
que, según las normas, un diferencial
debe actuar entre IΔn y IΔn/2.
En la práctica, se requiere una relación de: IΔn
(aguas arriba) ≥ 2 IΔn (aguas abajo).
9
Selectividad Cronométrica: puesto que
todo mecanismo necesita un tiempo
para actuar, por mínimo que sea: se
requiere una temporización o retardo
voluntario en el dispositivo aguas arriba.
Para que haya selectividad cronométrica se tiene que dar la siguiente condición:
El tiempo de no disparo aguas arriba debe ser 1,2 veces el tiempo total de apertura del aparato aguas
abajo .
En el mercado hay Diferenciales selectivos que tienen un tiempo de retardo fijo de aproximadamente
100 ms (0,1 s). Los bloques Vigi comercializados por Schneider tienen la posibilidad de regular el
retardo del disparo.
Para que haya una selectividad total se debe cumplir la selectividad Amperimétrica y Cronométrica
Schneider en el documento Guía de la Protección Diferencial (pag 156) da la siguiente tabla de
selectividades entre diferenciales:
Hay que recordar, según la ITC – BT 17 apartado 2, que todas las líneas que salgan de un cuadro de
mando y protección deben estar protegidas contra:
9
9
9
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Sobreintensidades
Cortocircuitos
Contactos indirectos
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