protección de los circuitos
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PROTECCIÓN DE LOS CIRCUITOS ELÉCTRICOS
Toda instalación eléctrica tiene que estar dotada de una serie de protecciones que la hagan
segura, tanto desde el punto de vista de los conductores y los aparatos a ellos conectados,
como de las personas que han de trabajar con ella.
Existen muchos tipos de protecciones, que pueden hacer a una instalación eléctrica
completamente segura ante cualquier contingencia, pero hay tres que deben usarse en todo
tipo de instalación: de alumbrado, domesticas, de fuerza, redes de distribución, circuitos
auxiliares, etc., ya sea de baja o alta tensión. Estas tres protecciones eléctricas, que
describiremos con detalle a continuación son:
a) Protección contra cortocircuitos.
b) Protección contra sobrecargas.
c) Protección contra electrocución.
PROTECCIÓN CONTRA CORTOCIRCUITOS
Se denomina cortocircuito a la unión de dos conductores o partes de un circuito eléctrico, con
una diferencia de potencial o tensión entre si, sin ninguna impedancia eléctrica entre ellos.
Este efecto, según la Ley de Ohm, al ser la impedancia cero, hace que la intensidad tienda a
infinito, con lo cual peligra la integridad de conductores y máquinas debido al calor generado
por dicha intensidad, debido al efecto Joule. En la práctica, la intensidad producida por un
cortocircuito, siempre queda amortiguada por la resistencia de los propios conductores que,
aunque muy pequeña, nunca es cero.
I = V / Z ( si Z es cero, I = infinito)
Según los reglamentos electrotécnicos, "en el origen de todo circuito deberá colocarse un
dispositivo de protección, de acuerdo con la intensidad de cortocircuito que pueda presentarse
en la instalación". No obstante se admite una protección general contra cortocircuitos para
varios circuitos derivados.
Los dispositivos mas empleados para la protección contra cortocircuitos son:
Fusibles calibrados (también llamados cortacircuitos), o
Interruptores automáticos magnetotérmicos
PUESTA A TIERRA DE LAS MASAS
Se denomina puesta a tierra a la unión eléctrica, entre todas las masas metálicas de una
instalación y un electrodo, que suele ser generalmente una placa o una jabalina de cobre o
hierro galvanizado (o un conjunto de ellos), enterrados en el suelo, con el fin de conseguir una
perfecta unión eléctrica entre masas y tierra, con la menor resistencia eléctrica posible, como
se ve en la figura 16.4. Con esto se consigue que en el conjunto de la instalación no puedan
existir tensiones peligrosas entre masas y tierra.
En las instalaciones industriales deben de realizarse tomas de tierra independientes para: las
masas metálicas de los aparatos eléctrico, para la conexión de los neutros de los
transformadores de potencia y para la conexión de los descargadores o pararrayos.
En las instalaciones domésticas y de edificios en general se conectarán a la toma de tierra:
Los enchufes eléctricos y las masas metálicas de aseos, baños y cocinas.
Las instalaciones ejecutadas con tubos metálicos de: fontanería, calefacción y gas, así como
calderas, depósitos, instalaciones de ascensores y montacargas, y en general todo elemento
metálico que pueda entrar en contacto con un cable bajo tensión.
Las estructuras metálicas y las armaduras de columnas y muros de hormigón.
Las instalaciones de pararrayos.
Las instalaciones de antenas, tanto de TV como de FM.
El tipo de toma de tierra
con placas, jabalinas, cables, etc.) dependerá generalmente, de la resistencia del terreno y de
las dificultades de instalación de uno u otro tipo, para conseguir una baja resistencia de
contacto a tierra. El tipo mas empleado tanto doméstica como industrialmente es el que se
hace con jabalinas hincadas verticalmente en el terreno, de 1,5 o 2 metros de longitud
generalmente.
Existen muchas tablas y fórmulas para calcular las tomas de tierra, según sea el tipo de
terreno o el tipo de electrodo empleado, pero son métodos laboriosos y poco exactos, por lo
cual lo que se suele hacer en la práctica es medir la resistencia de la toma de tierra una vez
realizada, y si aun es grande se coloca una jabalina o varias mas y se mide de nuevo. Estas
es mejor colocarlas separadas unas de otras, al menos 2 metros, para conseguir menor
resistencia de contacto.
INTERRUPTORES O RELÉS DIFERENCIALES
El interruptor diferencial es un aparato cuya misión es desconectar una red de distribución
eléctrica, cuando alguna de sus fases se pone a tierra, bien sea directamente o a través de
humedades generalmente. El interruptor diferencial se activa al detectar una corriente de
defecto Id, que sea superior a su umbral de sensibilidad Is.
La protección diferencial está basada en la 1ª Ley de Kirchoff, que como ya sabemos dice: "En
todo nudo de conductores, la suma de las intensidades que a él llegan, es igual a la suma de
las intensidades que de él salen". Esto hace que cuando se produce la derivación a tierra de
una fase, exista un desequilibrio entre la suma geométrica de las intensidades de la red; este
desequilibrio, que es precisamente la corriente de defecto Id, es lo que detecta el interruptor
diferencial, provocando a continuación la desconexión de la red defectuosa.
Dispositivo eléctrico
Que debe estar instalado en el cuadro general de la vivienda; la función que tiene es
desconectar la instalación eléctrica de forma rápida cuando existe una fuga a tierra, con lo que
la instalación se desconectará antes de que alguien toque el aparato averiado. En caso de que
una persona toque una parte activa, el interruptor diferencial desconectará la instalación en un
tiempo lo suficientemente corto como para no provocar daños graves a la persona.
Los interruptores diferenciales se caracterizan por tener diferentes sensibilidades.
La sensibilidad es el valor que aparece en catálogo y que identifica al modelo, sirve para
diferenciar el valor de la corriente a la que se quiere que "salte" el diferencial,
Las diferentes sensibilidades son:
•Muy alta sensibilidad: 10 mA
•Alta sensibilidad: 30 mA
•Sensibilidad normal: 100 y 300 mA
•Baja sensibilidad: 0.5 y 1 mA
El tipo de interruptor diferencial que se usa en las viviendas es de alta sensibilidad (30 mA).
En el interruptor diferencial hay un pulsador de prueba(botón indicado con una T o una P), que
simula un defecto en la instalación y por lo tanto al ser pulsado, la instalación deberá
desconectar ya que hace una derivación a tierra. Es recomendable apretar el pulsador
periódicamente.
La instalación en la vivienda del interruptor diferencial no es sustitutivo de alguna de las otras
medidas que hay que tomar para evitar contactos directos o indirectos.
Esta protección consiste en hacer pasar los conductores de alimentación por el interior de un
transformador de núcleo toroidal. La suma vectorial de las corrientes que circulan por los
conductores activos de un circuito en funcionamiento sin defecto es cero. Cuando aparece un
defecto esta suma no es cero y se induce una tensión en el secundario, constituido por un
arrollamiento situado en el núcleo, que actúa sobre el mecanismo de disparo, desconectando
el circuito cuando la corriente derivada a tierra es superior al umbral de funcionamiento del
dispositivo diferencial.
SIMBOLOGIA DEL INTERRUPTOR DIFERENCIAL:
Son dispositivos de protección de sobreintensidad, abren el circuito cuando la intensidad que
lo atraviesa pasa de un determinado valor, como consecuencia de una sobrecarga o un
cortocircuito.
Generalmente están formados por un cartucho en cuyo interior está el elemento fusible (hilo
metálico calibrado) rodeado de algún material que actúa como medio de extinción, el cartucho
se aloja en un soporte llamado portafusible que actúa como protector. En ocasiones forman
parte o están asociados con otros elementos de mando y protección como seccionadores,
interruptores...
El poder de ruptura del fusible viene expresado por el valor eficaz de la corriente de
cortocircuito que se hubiera alcanzado de no existir el fusible. Existe gran variedad de fusibles
en el mercado de acuerdo con los elementos a proteger. En cuanto al poder de corte existen
tres tipos: extrarrápidos, rápidos y de fusión lenta.
tipos de proteccion electricas
a) Fusibles (protecciones térmicas)
Estos dispositivos interrumpen un circuito eléctrico debido a que una sobrecorriente quema un
filamento conductor ubicado en el interior, por lo que deben ser reemplazados después de
cada actuación para poder reestablecer el circuito. Los fusibles se emplean como protección
contra cortocircuitos y sobrecargas.
b) Interruptor Termomagnético o Disyuntor
Estos interruptores cuentan con un sistema magnético de respuesta rápida ante
sobrecorrientes abruptas (cortocircuitos), y una protección térmica basada en un bimetal que
desconecta ante sobrecorrientes de ocurrencia más lenta (sobrecargas). Estos disyuntores se
emplean para proteger cada circuito de la instalación, siendo su principal función resguardar a
los conductores eléctricos ante sobrecorrientes que pueden producir peligrosas elevaciones
de temperatura.
c) Interruptor o Protector Diferencial
El interruptor diferencial es un elemento destinado a la protección de las personas contra los
contactos indirectos. Se instala en el tablero eléctrico después del interruptor automático del
circuito que se desea proteger, generalmente circuitos de enchufes, o bien, se le puede
instalar después del interruptor automático general de la instalación si es que se desea instalar
solo un protector diferencial, si es así se debe cautelar que la capacida nominal (amperes) del
disyuntor general sea inferior o igual a la del protector diferencial.
El interruptor diferencial censa la corriente que circula por la fase y el neutro, que en
condiciones normales debiese ser igual. Si ocurre una falla de aislación en algún artefacto
eléctrico, es decir, el conductor de fase queda en contacto con alguna parte metálica
(conductora), y se origina una descarga a tierra, entonces la corriente que circulará por el
neutro será menor a la que circula por la fase. Ante este desequilibrio el interruptor diferencial
opera, desconectando el circuito.
Estas protecciones se caracterizan por su sensibilidad (corriente de operación), es decir el
nivel de corriente de fuga a partir del cual comienzan a operar, comúnmente este valor es de
30 miliamperes (0,03 A). Es muy importante recalcar que estas protecciones deben ser
complementadas con un sistemas de puesta a tierra, pues de no ser así, el interruptor
diferencial solo percibirá la fuga de corriente en el momento en que el usuario toque la carcaza
energizada de algún artefacto, con lo que no se asegura que la persona no reciba una
descarga eléctrica.
Circuito electrico
Es tan común la aplicación del circuito eléctrico en nuestros días que tal vez no le damos la
importancia que tiene. El automóvil, la televisión, la radio, el teléfono, la aspiradora, las
computadoras y videocaseteras, entre muchos y otros son aparatos que requieren para su
funcionamiento, de circuitos eléctricos simples, combinados y complejos. (Ver: Historia del
circuito eléctrico)
Pero ¿qué es un circuito eléctrico? Se denomina así el camino que recorre una corriente
eléctrica. Este recorrido se inicia en una de las terminales de una pila, pasa a través de un
conducto eléctrico (cable de cobre), llega a una resistencia (foco), que consume parte de la
energía eléctrica; continúa después por el conducto, llega a un interruptor y regresa a la otra
terminal de la pila.
Los elementos básicos de un circuito eléctrico son: Un generador de corriente eléctrica, en
este caso una pila; los conductores (cables o alambre), que llevan a corriente a una
resistencia foco y posteriormente al interruptor, que es un dispositivo de control.
¿Qué es un interruptor o apagador? No es más que un dispositivo de control, que permite o
impide el paso de la corriente eléctrica a través de un circuito, si éste está cerrado y que,
cuando no lo hace, está abierto.
Existen otros dispositivos llamados fusibles, que pueden ser de diferentes tipos y capacidades.
¿Qué es un fusible? Es un dispositivo de protección tanto para ti como para el circuito
eléctrico.
Sabemos que la energía eléctrica se puede transformar en energía calorífica. Hagamos una
analogía, cuando hace ejercicio, tu cuerpo está en movimiento y empiezas a sudar, como
consecuencia de que está sobrecalentado. Algo similar sucede con los conductores cuando
circula por ellos una corriente eléctrica (movimiento de electrones) y el circuito se
sobrecalienta. Esto puede ser producto de un corto circuito, que es registrado por el fusible y
ocasiona que se queme o funda el listón que está dentro de el, abriendo el circuito, es decir
impidiendo el paso de corriente para protegerte a ti y a la instalación.
Relés de protección.
Los reles de protección son derivados de los reles de medición, los cuales por su
funcionamiento rápido y automático, hacen posible la agrupación.
Los reles de protección deben reponder a diversas exigencias :
- Consumo propio reducido.
- Sensibilidad.
- Capacidad de soportar cortocircuitos sin deformarse.
- Exactitud de los valores de funcionamiento.
- Indicación de los valores de funcionamiento mediante señales ópticas.
- Posibilidad de transmisión de los valores medidos para la indicación a distancia.
El funcionamiento general de los reles de protección es tal que, al sobrepasar o descender por
debajo de un valor de la magnitud de acción que ellos vigilan, hace dispararse al interruptor de
potencia.
Tipos de relé de protección y vigilancia de líneas y redes.
Según su funcionamiento los reles de protección pueden ser :
- Sobreintensidad.
- Mínima y máxima tensión.
- Vigilancia de contactos a tierra.
- Diferenciales.
- Distancia.
Protección contra sobrecargas.
Este tipo de protecciones suele utilizarse en líneas subterráneas como medida de precaución
para evitar el paso de intensidades superiores a las nominales, con el consiguiente peligro
para el aislamiento, por causas térmicas. Naturalmente este exceso de intensidad es siempre
muy inferior a la corriente de cortocircuito, utilizándose para su prevención dispositivos
térmicos o magnéticos, similares a los utilizados el las protecciones de motores.
Corrientes de cortocircuito.
Debido al constante incremento de producción de energía eléctrica, las corrientes de
cortocircuitos, en los sistemas de transporte y distribución actuales alcanzan valores elevados,
que en muchos casos pueden afectar gravemente las instalaciones.
La corriente de cortocircuito de una instalación eléctrica, en general, va acompañada, en el
momento inicial, de fenómenos transitorios seguidos de una situación permanente. Los
efectos básicos del cortocircuito sobre la instalación se pueden resumir en dos :
a) Efecto electrodinamico, debido a la fuerza que aparece en los conductores al ser
atravesados por fuertes corrientes y estar bajo campo magnético. El campo magnético lo crea
la misma corriente o bien la corriente que circule por los conductores vecinos de la misma o
distintas fases. Esta fuerza es proporcional al cuadrado de la intensidad. La fuerza máxima se
producirá, por tanto, cuando la corriente tenga el valor máximo.
Efecto térmico, debido al calor producido por la intensidad ( Efecto Joule ) y a la capacidad
calorifica de la zona donde se haya producido. Dada la escasa duración del cortocircuito,
normalmente inferior a 3 s, puede afirmarse que no se produce transmisión de calor al medio
que rodea al conductor. Puede tomarse como ecuación de equilibrio térmico aproximada la
siguiente :
Q = R· I2 · D t
en donde :
R = resistencia ohmica del conductor.
I = intensidad que circula por él.
D t = tiempo de duración del cortocircuito.
Q = capacidad calorifica del cable, que depende de su sección, clase de conductor ( Cu o Al )
y
temperatura máxima admisible.
A partir de la ecuación de equilibrio podrá calcularse la intensidad de cortocircuito máxima que
es capaz de soportar el cable. Además de los efecto anteriores, un cortocircuito produce una
caída de tensión elevada, que a su vez puede dar lugar a desequilibrios de tensiones y
corrientes en la red.
CORRIENTE DE CORTOCIRCUITO EN UN PUNTO
DE LA LÍNEA
Supongamos un cortocircuito producido a la salida de un transformador
para baja tensión, es decir, el cortocircuito más desfavorable que puede
producirse. Para determinar esta intensidad dispondremos de un método
práctico basado en unas gráficas que representan las variaciones de la
intensidad de cortocircuito en función de la potencia del transformador y de la
resistencia de la línea intercalada hasta el lugar del cortocircuito.
Basándonos en estas gráficas, el procedimiento a seguir será el
siguiente:
1. Se calcula la resistencia del conductor intercalado desde el
transformador hasta el cortocircuito.
2. Al valor de resistencia que resulte deberá sumarsele el valor del hilo
neutro, cuando el cortocircuito sea entre fase y neutro, y
multiplicarlo por cuando el cortocircuito sea entre dos fases.
3. El resultado obtenido se traslada al gráfico de la figura 5, donde en
función de la potencia del transformador, se determinará el valor de
la intensidad de cortocircuito en amperios.
Mediante este procedimiento obtenemos la intensidad de cortocircuito en
el punto elegido, y con él tendremos el poder de corte mínimo del fusible o
interruptor automático que vayamos a colocar. El valor obtenido será en exceso
ya que no tenemos en cuenta la reactancia de la línea.
CORTACIRCUITOS FUSIBLES DE BAJA TENSIÓN
Los cortacircuitos fusibles son el medio más antiguo de protección de los
circuitos eléctricos y se basan en la fusión por efecto de Joule de un hilo o
lámina intercalada en la línea como punto débil.
Los cortacircuitos fusibles o simplemente fusibles son de formas y
tamaños muy diferentes según sea la intensidad para la que deben fundirse, la
tensión de los circuitos donde se empleen y el lugar donde se coloquen.
El conductor fusible tiene sección circular cuando la corriente que
controla es pequeña, o está formado por láminas si la corriente es grande. En
ambos casos el material de que están formados es siempre un metal o aleación
de bajo punto de fusión a base de plomo, estaño, zinc, etc.
Fundamentalmente encontraremos dos tipos de fusibles en las
instalaciones de baja tensión:
• gl (fusible de empleo general)
• aM (fusible de acompañamiento de Motor)
Los fusibles de tipo gl se utilizan en la protección de líneas, estando
diseñada su curva de fusión "intensidad-tiempo" para una respuesta lenta en
las sobrecargas, y rápida frente a los cortocircuitos.
Los fusibles de tipo aM, especialmente diseñados para la protección de
motores, tienen una respuesta extremadamente lenta frente a las sobrecargas,
y rápida frente a los cortocircuitos.
La intensidad nominal de un fusible, así como su poder de corte, son las
dos características que definen a un fusible.
La intensidad nominal es la intensidad normal de funcionamiento para la
cual el fusible ha sido proyectado, y el poder de corte es la intensidad máxima
de cortocircuito capaz de poder ser interrumpida por el fusible. Para una misma
intensidad nominal, el tamaño de un fusible depende del poder de corte para el
que ha sido diseñado, normalmente comprendido entre 6.000 y 100.000 A.
INTERRUPTORES MAGNÉTICOS
Son interruptores automáticos que reaccionan ante sobreintensidades de
alto valor, cortándolas en tiempos lo suficientemente cortos como para no
perjudicar ni a la red ni a los aparatos asociados a ella.
Para iniciar la desconexión se sirven del movimiento de un núcleo de
hierro dentro de un campo magnético proporcional al valor de la intensidad que
circula.
Así pues, para la curva ejemplo de la figura 3, cualquier intensidad
menor de 4,25 A, no provocaría la desconexión, por más tiempo que estuviera
circulando. En cambio, para cualquier intensidad mayor de 4,75 A, provocaría
la desconexión inmediata.
El límite inferior de la curva (unos 4 milisegundos), viene determinado
por el tiempo que transcurre desde el instante de establecimiento de la
intensidad, hasta la extinción del arco. Este tiempo marca la inercia mecánica y
eléctrica propia de estos aparatos.