Protecciones Eléctricas

Las protecciones eléctricas se caracterizan por sus curvas de funcionamiento. Los valores que se encuentran dentro de la zona de protección corresponden a estados para los cuales el sistema debe sacar de servicio el circuito.

Tipos de Fallas

• Cortocircuitos: Se producen por defectos que generan una baja impedancia entre conductores a distinto potencial. Esto provoca corrientes elevadas que pueden dañar la instalación. Los daños se evitan con la desconexión rápida del circuito fallado. Los componentes y la instalación deben soportar el cortocircuito durante el tiempo que demoran las protecciones en actuar. A mayor rapidez, menor es el dimensionamiento requerido para la instalación, lo que resulta en un menor costo.
• Sobrecargas: Se dan cuando se pretende utilizar los elementos de la instalación más allá de lo previsto. Si la sobrecarga se prolonga en el tiempo, se produce un sobrecalentamiento que puede dañar el aislamiento de los conductores.

Medición de Magnitudes

La medición de magnitudes eléctricas es fundamental para controlar el correcto funcionamiento de la instalación.

• Medición de tensión: Sirve para controlar que la tensión suministrada a los usuarios sea próxima a la nominal. Cuando se produce una falla en la línea, la medición de las tensiones permite individualizar el tipo de falla.
• Medición de corriente: Sirve para controlar que el usuario carga la red de forma equilibrada.
  1. Valor de la corriente de fase: Determina si la fase está cargada normalmente, sobrecargada o con una falla.
     1. Valor de la corriente del neutro: Determina el desequilibrio de la carga durante un cortocircuito.

Protecciones de Baja Tensión

Fusibles

Un fusible corta el circuito al ser atravesado por una sobrecorriente debido a sobrecargas o cortocircuitos. El corte se produce por la fusión de un alambre conectado en serie con el circuito a proteger. El material que rodea al alambre se encarga de extinguir el arco eléctrico que se produce durante la fusión.

Clasificación de Fusibles

• Según forma constructiva (tensiones menores a 600V):
  1. Tipo D: Cuerpo cilíndrico de material cerámico, en sus extremos cuenta con contactos de bronce y en su interior el elemento fusible (lámina de cobre o plata) rodeada por arena de cuarzo la cual limita la corriente. Son para personas no capacitadas lo cual permite su uso domiciliario.
  2. Tipo NH: Se compone de una base porta fusible, cartucho fusible intercambiable, manija porta fusible para realizar cambio de cartucho. Mayor capacidad de ruptura que los tipo D (hasta 100 kA). Debe ser manipulado por personas con conocimiento. Son para uso interno. Pueden ser de actuación rápida (circuitos de iluminación) o lenta (circuitos de fuerza motriz).
  3. Tipo americano: Tienen un cuerpo aislante de papel impregnado y posee contactos a cuchillas que son de bronce. El elemento fusible no posee material de relleno, lo que implica una baja capacidad de ruptura. Aplicaciones: bajas corrientes de cortocircuito y donde no existen sobrecargas leves.
• Según su uso:
  1. gG: Interrumpen cualquier corriente.
     1. aA: Interrumpen las corrientes que van desde un dominio especificado hasta su capacidad de ruptura. Sólo protegen contra cortocircuito.
• Según la carga a proteger:
  1. gL: Conductores y dispositivos de maniobra en general.
  2. aR: Semiconductores contra cortocircuito.
  3. gTr: Transformadores de distribución.
  4. aM: Motores contra cortocircuito.
  5. gC: Condensadores completos.
  6. gR: Semiconductores completos.

Fusibles con Limitación y sin Limitación de Corriente de Cortocircuito

La limitación de corriente tiene la ventaja de disminuir los efectos térmicos y electrodinámicos sobre el elemento protegido. Un fusible no limitador posee una baja capacidad de ruptura y la interrupción se produce en un pasaje natural por cero de la corriente de falla. El tiempo mínimo de interrupción es medio ciclo.

Desventajas de los Fusibles

• Se debe reemplazar el fusible cada vez que actúa.
• Ruptura de una sola fase. Solo funciona el fusible afectado por el cortocircuito, los otros siguen alimentando las fases sanas.
• No protegen contra sobrecargas leves.

Interruptores Automáticos

Los interruptores automáticos, también conocidos como llaves termomagnéticas, son dispositivos que protegen las instalaciones eléctricas contra sobrecargas y cortocircuitos. Cuando se produce una falla, los contactos del interruptor se separan y se forma un arco voltaico que se extingue en una cámara de extinción. La apertura rápida de los contactos se logra mediante un sistema de palancas y resortes.

• Soplado magnético y cámara apagachispas: Se emplea cuando la corriente a interrumpir supera la capacidad de extinción del arco con aire. La corriente de aire hace que el arco se alargue y suba, penetrando en la cámara apagachispas. Allí el arco se divide en varios arcos pequeños, lo que facilita su extinción. Una bobina (sopladora) produce un campo magnético perpendicular al arco eléctrico. La corriente se ve sometida a una fuerza magnética. Si los sentidos del campo y la corriente se eligen adecuadamente, la fuerza actúa sobre el arco y lo empuja hacia arriba.
• Relé de acción magnética y de acción térmica: Compuesto por una bobina y un núcleo móvil. El relé de acción magnética destraba el mecanismo y libera la energía acumulada en los resortes si la corriente supera un valor determinado. El relé de acción térmica, compuesto por una lámina bimetálica, se deforma por efecto de la temperatura. Si la temperatura supera un límite, la lámina deformada acciona el mecanismo de disparo. Ambos sistemas actúan sobre el mismo mecanismo, liberando la energía acumulada en los resortes y abriendo los contactos.
• Zona de trabajo: Manual, térmico, magnético. Cada zona puede actuar independientemente de las otras.

Clasificación de Interruptores Automáticos

• Termomagnéticos: Unipolares, corriente nominal máxima 125 A, capacidad de ruptura máxima 10 kA. Se aplican en instalaciones domiciliarias o en circuitos de iluminación como interruptor de tablero. Protegen contra sobrecargas y cortocircuitos. Pueden limitar la corriente y los puede operar cualquier persona.
• Interruptores automáticos de caja moldeada: 63 a 1250 A, capacidad de ruptura hasta 50 kA. Se emplean en grandes tableros industriales. Deben ser operados por personas capacitadas y permiten el ajuste del disparo magnético con un retardo de 0.5 s.

Clasificación según su Ubicación en la Red

• Interruptor de alimentación: Se ubican en el pie del transformador de distribución, delante del tablero general. Deben ser selectivos y no deben ser limitadores de corriente.
• Interruptor de acoplamiento: Se usan en instalaciones selectivas y no poseen protección térmica.
• Interruptor de distribución: Se usan en la salida de tableros y son selectivos.
• Interruptor de receptores: Protegen las cargas y pueden ser limitadores de corriente o no.

Comparación entre el Fusible y el Interruptor Automático

• Fusible: Más económico, economiza diseño de red.
• Interruptor: Más grande, robusto, costoso. Se utiliza para grandes potencias ya que permiten una protección más sensible y una reanudación más rápida del servicio después de actuar.

Interruptor Automático Diferencial (Disyuntor)

El interruptor automático diferencial, también conocido como disyuntor, es un dispositivo de protección que protege a las personas contra contactos indirectos. Detecta la corriente de falla a tierra y abre el circuito en un tiempo muy breve. Al existir una falla a tierra, el desequilibrio de corriente ocasiona la inducción de una fuerza electromotriz en la bobina del núcleo del disyuntor. Esta fuerza electromotriz da lugar a una corriente en la bobina de accionamiento del disparador que libera el mecanismo del cerrojo y hace abrir el interruptor. El disyuntor debe actuar bajo dos condiciones fundamentales:

• Con una corriente que no alcance a dañar a las personas.
• Con un tiempo muy breve, para que el efecto de la corriente no sea perjudicial.

Modelos de Disyuntores

• Bipolares: 10 a 40 A
• Tetrapolares: 25 a 224 A

Instalación del Disyuntor

El neutro no debe conectarse a tierra antes del disyuntor. El disyuntor debe estar conectado antes de la conexión a tierra del neutro para que pueda detectar la corriente de falla a tierra.

Guardamotor

El guardamotor es un dispositivo de protección que se utiliza para proteger motores eléctricos contra sobrecargas, cortocircuitos y fallas de fase. Cumple las siguientes funciones:

• Función de seguridad: Contempla los elementos para bloquear los circuitos de potencia y de comando de la alimentación general.
• Protección contra sobrecargas:
  • Relé térmico con bimetálicos: Deben cumplir con:
    1. Insensibilidad a las variaciones de la temperatura ambiente.
    2. Sensibilidad a la pérdida de fase.
    3. Protección con rotor bloqueado a arranque prolongado.
  • Relé a sondas por termistores: Controlan la temperatura del bobinado estatórico.
  • Relés electrónicos: Proveen la protección térmica mediante la medición de la corriente y la temperatura.
• Conmutación: Consiste en establecer, cortar y regular (solo con variador de velocidad) la corriente absorbida por el motor. Viene dada por:
  • Dispositivos electromecánicos.
  • Dispositivos electrónicos.
• Señalización: Indica el estado del guardamotor (abierto o cerrado) y si se ha producido alguna falla.

Características de los Elementos de Disparo y Curvas del Guardamotor

• Regulación térmica: Si se regula el relé térmico a una intensidad superior a la nominal del motor, este trabaja por encima de su temperatura límite, lo que reduce su vida útil.
• Alteraciones del suministro eléctrico: Pérdida de fase, inversión de secuencia, bajo y alto voltaje, pueden producir daños en los motores.

Magnitudes Eléctricas que Definen la Selección de las Protecciones

Parámetros a considerar:

• Tensión nominal.
• Corriente de proyecto.
• Poder de interrupción.
• Corriente limitadora.
• Tensión de cresta.

Protecciones de Maniobra de Media Tensión

• Fusible HH: Protege aparatos y partes de la instalación contra los efectos dinámicos y térmicos de las corrientes de cortocircuito. Se usan en transformadores, ramales de cable.
• Seccionadores: Se utiliza para abrir o cerrar circuitos con una corriente despreciable.
• Interruptor de potencia: Aparato mecánico de dos posiciones. Soportan e interrumpen corrientes en condiciones normales de circuito, así como en condiciones predeterminadas. Soportan e interrumpen corrientes anormales.

Clasificación de Interruptores de Potencia

• Volumen reducido de aceite.
• Vacío.
• Aire comprimido.
• Hexafluoruro de azufre (SF6).

Coordinación de Protecciones de Máxima Corriente

Selectividad

Se considera un dispositivo selectivo cuando solamente dispara el interruptor inmediato anterior al punto de defecto, tomando como base el sentido de flujo de la energía. Para que la selectividad se cumpla:

• Debe actuar solo un dispositivo de protección.
• Cuando la corriente circula por dos protecciones en serie, la protección más alejada de la fuente debe actuar primero.
• Cuando se tienen dos fusibles en serie, la fusión y extinción del arco en el fusible más alejado de la fuente debe producirse antes que se haya propagado el prearco en el otro fusible.

Selectividad de Fusibles

La selectividad de fusibles se determina mediante la comparación de sus características de disparo. Las curvas de disparo deben estar en la misma escala.