10_Protección de Las Personas

APUNTES DE PROTECCIONES ELÉCTRICAS DE BAJA TENSIÓN TENSIÓN Prof. Claudio González Cruz

UNIDAD 5 Protección de las Personas

S E N O I

Introducción

La electricidad es una de las energías de más amplio y variado uso en la actualidad, por lo que podemos encontrarla en prácticamente todos las aplicaciones. Es limpia, en alguna medida económica (si la comparamos con otras fuentes), es fácil de generar, y además, puede transformarse en otros tipos de energía (lumínica, mecánica, etc.), pero lamentablemente su uso, conlleva a riesgos tanto para las instalaciones como para los propios usuarios de estas. Evitar que la electricidad dañe a instalaciones, equipos y fundamentalmente a usuarios, es una de las premisas principales dentro del diseño de una red interior. La protección adecuada y efectiva, especialmente de los usuarios de las redes eléctricas interiores, se realiza por medio del uso de diferentes elementos siendo mayormente utilizados las puestas a tierra y especialmente los dispositivos diferenciales, ya que estos contribuyen a lograr la tan necesaria optima protección a los usuarios contra los accidentes de origen eléctrico. Los accidentes eléctricos que pueden sufrir los usuarios de las instalaciones interiores de baja tensión, pueden ser debidos a negligencia de ellos mismos, o bien, a que la red eléctrica sufrió una falla de aislación, lo que provoca que en la carcaza de un equipo que normalmente no está energizado, aparezca una tensión peligrosa. Si analizamos las causas que originan los accidentes por descargas eléctricas podremos encontrar que, en un amplio porcentaje, las medidas de seguridad previstas no fueron suficientes para garantizar la seguridad de los usuarios, o bien no estuvieron correctamente aplicadas e, incluso, que con el paso del tiempo su capacidad protectora había disminuido. Para poder prevenir los accidentes debidos a la corriente eléctrica es necesario adoptar medidas de protección adecuadas a los posibles riesgos que puedan presentarse. Estas medidas implican la elección cuidadosa de los elementos preventivos que hagan a las instalaciones eléctricas fiables y seguras, tanto para las personas como para ellas mismas.

Programa de Estudio Ingeniería en Electricidad con Mención en Potencia

5-1

C A C I N U M O C E L E T Y A C I N Ó R T C E L E , D A D I C I R T C E L E A E R Á


5.1.0

Orígenes del Riesgo para las Personas

Las instalaciones eléctricas interiores podrán dejar de ser seguras para sus usuarios, cuando en ellas se presenten dos situaciones perfectamente definidas, denominadas contactos eléctricos. La primera tiene relación con el concepto de la acción i nsegura, es decir, la persona toca directamente el o los conductores de alimentación por alguna causa cuando estos se encuentran energizados; mientras que la segunda, se relaciona con el concepto de la condición insegura, es decir, con la situación en donde el usuario accede a la fuente de alimentación por medio de la carcaza de algún equipo que está accidentalmente puesta bajo tensión. Por todo esto podemos decir, que conceptualmente existen dos tipos generales de contactos eléctricos, los directos, que se relacionan con el propio usuario, y los indirectos, que se asocian al estado de las instalaciones eléctricas.

5.1.1

Contacto Directo

El contacto directo se define como la red de alimentación F

alguna parte de su cuerpo, un punto del

N

circuito eléctrico de alimentación que en condiciones normales se encuentra energizado. Esta unión entre el usuario y la instalación, puede presentarse en dos formas distintas, una cuando la persona se encuentra aislada de tierra, y

piso asilante F

N

la otra cuando no lo está. El primero, corresponde

a

una

persona

que

establece contacto entre el neutro y la fase de la instalación (considerando un

Figura 5.1 – Contacto directo aislado del suelo

circuito monofásico), estando aislado de tierra. Si analizamos la situación mostrada en la figura 5.1, podremos darnos cuenta que desde el punto de vista de circuitos eléctricos, el usuario al estar aislado de tierra, se comporta como una carga más del sistema.


C A C I N U M O C E L E T Y A C I

situación en donde la persona o usuario de una instalación interior, toca con

S E N O I

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N Ó R T C E L E , D A D I C I R T C E L E A E R Á


5.1.0

Orígenes del Riesgo para las Personas

Las instalaciones eléctricas interiores podrán dejar de ser seguras para sus usuarios, cuando en ellas se presenten dos situaciones perfectamente definidas, denominadas contactos eléctricos. La primera tiene relación con el concepto de la acción i nsegura, es decir, la persona toca directamente el o los conductores de alimentación por alguna causa cuando estos se encuentran energizados; mientras que la segunda, se relaciona con el concepto de la condición insegura, es decir, con la situación en donde el usuario accede a la fuente de alimentación por medio de la carcaza de algún equipo que está accidentalmente puesta bajo tensión. Por todo esto podemos decir, que conceptualmente existen dos tipos generales de contactos eléctricos, los directos, que se relacionan con el propio usuario, y los indirectos, que se asocian al estado de las instalaciones eléctricas.

5.1.1

Contacto Directo

El contacto directo se define como la red de alimentación F

alguna parte de su cuerpo, un punto del

N

circuito eléctrico de alimentación que en condiciones normales se encuentra energizado. Esta unión entre el usuario y la instalación, puede presentarse en dos formas distintas, una cuando la persona se encuentra aislada de tierra, y

piso asilante F

N

la otra cuando no lo está. El primero, corresponde

a

una

persona

que

establece contacto entre el neutro y la fase de la instalación (considerando un

Figura 5.1 – Contacto directo aislado del suelo

circuito monofásico), estando aislado de tierra. Si analizamos la situación mostrada en la figura 5.1, podremos darnos cuenta que desde el punto de vista de circuitos eléctricos, el usuario al estar aislado de tierra, se comporta como una carga más del sistema.



situación en donde la persona o usuario de una instalación interior, toca con

S E N O I

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Según se muestra en la figura 5.2, las red de alimentación F N F

VC

N

variables eléctricas que se asocian a este contacto son: S E N O I

- La resistencia de la persona (R CH) - La tensión de contacto (V C) - La corriente que circula (I CH)

R CH

La reglamentación eléctrica nacional establece para el caso de baja tensión,

ICH

que la resistencia de las personas en el estudio de los contactos eléctricos debe Figura 5.2 – Circuito eléctrico del contacto directo aislado del suelo

considerarse con un valor de 3000 ( Ω).

La diferencia de potencial que aparecería entre las manos de la persona, definida como la tensión de contacto, será equivalente al valor del voltaje existente en el sistema de alimentación, que para nuestro caso de estudio se considera de 220 (V). Con los parámetros de resistencia y voltaje ya definidos en los párrafos anteriores y utilizando la ley de Ohm, podemos determinar teóricamente la magnitud de la corriente eléctrica que circularía por la persona afectada por este tipo de contacto eléctrico:

I CH =

VC 220 = ≅ 73,3 (mA ) R CH 3000

La magnitud de la corriente alcanzada en este tipo de contacto es evidentemente dañina para la persona, pero lo que fundamentalmente hace peligroso a este tipo de contacto eléctrico, es la no existencia de alguna falla que pueda ser detectada por algún dispositivo de protección que actué en un tiempo que no permita un desenlace fatal de este accidente. El segundo caso (persona no aislada del suelo), corresponde a cuando una persona establece contacto con una fase de la instalación, estando conectado a tierra.


5-3


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Si consideramos un contacto directo del utilizador

con

un

conductor

de

nuestra

red de alimentación

instalación, se generará un flujo de corriente a

F

través de él, que se cerrará por la tierra con el

N

neutro de la alimentación, el cual por norma debe estar aterrizado.

C A C I N U M O C E L E T Y

En este tipo de contacto, el cuerpo del usuario se comporta también como una resistencia al paso de la corriente, con la diferencia respecto

F

al contacto directo anterior, que al cerrar el circuito por tierra y no directamente por el neutro de la instalación, se está produciendo lo que denominamos “corriente de fuga”, falla que

Figura 5.3 – Contacto directo conectado al suelo

evidentemente puede ser detectada por algún dispositivo de protección.

A C I

En el caso mostrado en la Figura 5.4, los parámetros mencionados en el tipo de

red de alimentación F

contacto anterior (persona aislada del suelo), se mantienen, luego:

ICH =

N VC

F

VC 220 = ≅ 73,3 (mA ) R CH 3000

N

R CH

Nuevamente la magnitud de la corriente que

I CH

circularía por la persona es suficiente para causar

serias

lesiones,

S E N O I

las

que

serán

proporcionales al tiempo de permanencia en el

Figura 5.4 – Circuito eléctrico del contacto directo conectado al suelo

contacto, dado por las características de operación del dispositivo de protección, por ejemplo, un dispositivo diferencial.


5-4



5.1.2

Contacto Indirecto

El contacto indirecto se define como la situación en donde la persona o usuario

red de alimentación F

de una instalación interior, toca con alguna

S E N O I

N

parte de su cuerpo una superficie metálica de un equipo eléctrico que en condiciones


normales se encuentra desenergizada pero en condiciones de falla se energiza.

F

N

Este tipo de contacto es realmente peligroso debido a que es difícil de prevenir por parte del usuario, ya que generalmente corresponde al resultado de una falla interna de los equipos eléctricos.

Figura 5.5 – Contacto indirecto

Si consideramos un contacto del utilizador con la carcaza del equipo fallado, se generará un flujo de corriente a través del cuerpo de la persona que se cerrará por la tierra con el neutro de la alimentación, en forma similar al contacto explicado en el punto anterior. Según muestra la figura 5.6, si ocurre una

red de alimentación

falla franca de fase a masa, la carcaza se

F

energizará respecto a tierra con un potencial

N

de 220 (V), el que pasaría a representar la tensión de contacto, luego considerando la resistencia de la persona igual al utilizado en los casos anteriores, tendremos que:

R CH

F

N

ICH

ICH =

VC 220 = ≅ 73,3 (mA ) R CH 3000

VC

R →0

Figura 5.6 – Circuito eléctrico del contacto indirecto


5-5

A C I N Ó R T C E L E , D A D I C I R T C E L E A E R Á


5.2.0

Parámetros que Inciden en un Accidente Eléctrico

Existen una serie de parámetros que incidirán en un caso de riesgo de electrocución. Si consideramos que el utilizador se encontrará expuesto a una cierta tensión de contacto durante un tiempo determinado, circulara por su cuerpo una cantidad de corriente que estará acotada por la resistencia corporal del individuo. Tendremos entonces que el riesgo de electrocución dependerá de: -

Corriente que circula por el cuerpo y tiempo de exposición.

-

Tensión aplicada y resistencia del cuerpo.

5.2.1

Corriente que Circula por el Cuerpo y Tiempo de Exposición

Dependiendo de la amplitud de la corriente eléctrica que circula por el cuerpo de una persona que está sometida a un contacto eléctrico, y del tiempo de exposición a este, los efectos sobre el individuo pueden ser imperceptibles, o bien, mortales. La norma IEC 60479-1 (Effects of current on human beings and livestock - Part 1 General aspects), estableció zonas de riesgo en función de la magnitud de la corriente y el tiempo de exposición a esta. Estas zonas de riesgo son mostradas en la siguiente gráfica: 10000

2000 ) s m ( n e o p m e i t

500

Z1

Z2

Z3

Z4

100

20

0,1

0,2

0,5

1

2

5

10

20

50

100

200 500 1000

5000 10000 corriente en (mA)

Figura 5.7 – Gráfica de zonas de riesgo según IEC 60479-1


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S E N O I C A C I N U M O C E L E T Y A C I N Ó R T C E L E , D A D I C I R T C E L E A E R Á


Zona 1. No

se aprecia habitualmente ninguna reacción, debido a que no se percibe el paso de la

corriente, por lo que no existe límite de tiempo de permanencia en el contacto. Zona 2. En

esta zona comenzamos a percibir el paso de la corriente como un leve cosquilleo pero,

que no deja ningún efecto psicológico grave como secuela, siempre que la magnitud de la señal no exceda los 10 (mA). Se considera esta curva como el limite inferior de la corriente fisiopatológicamente peligrosa. Zona 3. En

esta zona habitualmente no existe ningún daño orgánico. Existe probabilidad de

contracciones musculares y de dificultades de respiración; también perturbaciones reversibles en la formación y propagación de impulsos al corazón, comprendida la fibrilación auricular y paros temporales del corazón, sin fibrilación ventricular, aumentando con la intensidad de la corriente y el tiempo. Zona 4. Además

de los efectos de la zona 3, existe la posibilidad de fibrilación ventricular. Podrán

producirse efectos patológicos como paro cardiaco y paro respiratorio ocasionado por la tetanización o quemaduras graves. Cave señalar que a mayor corriente de circulación por el cuerpo humano, menor es el tiempo de exposición a esta corriente.

5.2.2

Tensión Aplicada y Resistencia del Cuerpo

Diversos estudios experimentales demuestran que la impedancia del cuerpo humano es siempre de características resistiva pura, por lo que sólo se habla de resistencia corporal. El voltaje al que puede verse sometida una persona en un contacto eléctrico, afecta directamente la resistencia de la piel, la que se comporta como un aislante natural, pudiendo producirse la ruptura del dieléctrico en caso de tensiones superiores al valor nominal de soporte de ella. A una frecuencia de 50 Hz y un potencial menor a 65 (V), la resistencia del cuerpo humano no depende fundamentalmente de la tensión a la que puede quedar sometida, ya que en estas condiciones no se presenta la ruptura de la piel por lo que la capacidad dieléctrica no es afectada generalmente. Bajo estas condiciones la resistencia de la persona depende particularmente de:


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Espesor, estado de humedad y contenido salino de la piel. La resistencia aumenta con el

espesor de la piel (callosidad), disminuye con la humedad (transpiración), y disminuye con la salinidad (alteración nerviosa). Presión y área de contacto. Si aumenta la presión y el área de contacto, disminuye la resistencia

de la piel. La excepción la constituye la presencia de extremos puntiagudos, que pueden perforar la piel, llevando el valor de resistencia de esta, a cero. A una frecuencia de 50 Hz y un potencial mayor a 65 (V), la resistencia del cuerpo humano no obedece particularmente la ley de Ohm, si no que su valor depende fundamentalmente de la tensión que soporte, tratándose por lo tanto de un dipolo no lineal cuya resistencia es función decreciente de la tensión aplicada. Entre 85 y 150 (V), comienzan a tomar importancia la forma, intensidad, densidad y duración de la corriente que circula por el cuerpo, para tensiones mayores a 150 hasta 250 (V), el dieléctrico de la piel seca se rompe en pocos segundos y en caso de piel húmeda, se rompe en forma casi instantánea. Es importante mencionar que una vez que la corriente circula por el cuerpo, se producirán internamente efectos de elevación de temperatura y cambios en el balance electrolítico, logrando que aumente la conductividad corporal.

Para

tensiones sobre 250 (V), la resistencia de la piel se hace cero y la resistencia corporal estará dada solo por la resistencia interna. La Norma NCH Elec 4/84 en el capítulo 9, sección 9.0.6.3, indica que 65 (V) es el máximo nivel de potencial que un individuo puede soportar en lugares secos, mientras que en lugares húmedos, este potencial es de 24 (V). Estos niveles de tensión se denominan tensiones de seguridad y son la base del dimensionamiento de los sistemas de protección contra tensiones peligrosas.

5.3.0

Medidas de Protección Contra los Contactos Eléctricos

Las medidas de protección contra los contactos eléctricos están reguladas en nuestro País, por la norma NCH Elec. 4/84 (específicamente por el capítulo N°9), en esta, se establecen todas las medidas de seguridad pertinentes a implementar en toda instalación eléctrica interior, para poder brindar un optimo grado de protección a los usuarios de estas. Resulta importante indicar que la primera gran medida de protección es evitar que ocurran los contactos eléctricos, que en el caso de los directos, pueden ser fácilmente evitados si los usuarios obedecen las indicaciones al respecto, por ejemplo, a no intervenir algún equipo o sistema eléctrico si está energizado. En el caso del contacto indirecto, este se puede evitar realizando una adecuada mantención preventiva a las instalaciones y a los equipos asociados a esta. Programa de Estudio Ingeniería en Electricidad con Mención en Potencia

5-8



5.3.1

Contra los Contactos Directos

Un usuario de una instalación eléctrica estará protegido contra los contactos directos con partes energizadas que funcionen a más de 65 (V), utilizando alguna de las medidas indicadas a continuación, o bien, realizando una combinación de ellas. - Ubicando la parte energizada fuera de la zona alcanzable por una persona, la que se considera medida desde donde ésta pueda situarse. Por arriba esta distancia límite es de 2,50 metros y lateralmente como hacia abajo es de 1,0 metro. 2,5 m

2,5 m

- Colocando las partes activas en bóvedas, salas o recintos similares accesibles únicamente a personal calificado. - Separando las partes energizadas mediante rejas, tabiques o disposiciones pueda entrar en contacto accidental con ellas y que sólo personal calificado tenga acceso a la zona así delimitada.

Figura 5.8 – Zona alcanzable por una persona

- Recubriendo las partes energizadas con aislantes apropiados, capaces de conservar sus propiedades a través del tiempo y que limiten las corrientes de fuga a valores no superiores a una milésima de Amper. En general, las medidas adoptadas para evitar la ocurrencia del denominado contacto directo son solo preventivas, y serán eficaces si el o los usuarios de las instalaciones, cumplen con el régimen de seguridad necesario para evitar este tipo de contacto. Cabe mencionar, que los usuarios de las instalaciones eléctricas no solamente son los adultos, sino que también lo niños. Ellos normalmente están expuestos a contactos eléctricos directos en los circuitos de enchufes, debido a la facilidad de los módulos comunes de permitir el ingreso de elementos por sus alvéolos hacia los contactos de potencia. Una alternativa para reducir fuertemente e riesgo para los niños, es el utilizar tomas de corriente con alvéolos protegidos, los que no eliminan la ocurrencia del contacto, pero lo dificultan considerablemente durante un tiempo que puede permitir la supervisión de un adulto y el consiguiente llamado de atención. Programa de Estudio Ingeniería en Electricidad con Mención en Potencia


1,0 m 1,0 m

similares de modo que ninguna persona

S E N O I

5-9



5.3.2

Contra los Contactos Indirectos

La Norma NCH Elec. 4/84, indica que la primera medida de protección es evitar que estos contactos se produzcan, por medio de conservar la aislación de la instalación en sus valores adecuados, los cuales son como mínimo, 300 (k Ω), para instalaciones hasta 220 (V), y para tensiones superiores, 1 (kΩ) por cada Volt en instalaciones de hasta 100 mts. Sobre el valor indicado, la instalación debe separarse en extensiones no superiores a este, cada uno de los cuales deberá cumplir con el valor de resistencia de aislación prescrito. Asumiendo que aún en una instalación en óptimas condiciones, ante una situación de falla una parte metálica del equipo puede quedar energizada, se deben tomar medidas complementarias para protección contra tensiones de contacto peligrosas. Estas medidas se clasifican en dos grupos; los sistemas de protección clase A y los sistemas de protección clase B.

5.3.2.1

Medidas de Protección Clase A

Las medidas de protección clase A, persiguen suprimir el riesgo del contacto eléctrico indirecto, haciendo que estos no sean peligrosos, o bien impidiendo los contactos simultáneos entre las masas y elementos conductores entre los cuales puedan aparecer tensiones peligrosas.

5.3.2.1.1

Empleo de Transformadores de Aislación

Consiste en transformar un sistema eléctrico conectado a tierra de servicio, en un sistema aislado de tierra, intercalando

un

transformador cuya razón de

transformación

red aislada de tierra

alimentación

es

transformador de aislación

generalmente 1:1, y no

equipo eléctrico

conectando su secundario a tierra. tierra de servicio Figura 5.9 – Transformador de aislación


5-10



El esquema eléctrico representativo del sistema mostrado en la figura 5.9 es el siguiente: RC

RTA

resistencia conductores alimentación

resistencia de falla resistencia tierra de servicio

RTS

S E N O I

resistencia transformador aislación RF

resistencia del suelo RS

Figura 5.10 – Circuito eléctrico representativo de la figura 5.9

Según la figura 5.10, la corriente del circuito de falla estaría limitada por las resistencias de los conductores, del transformador de aislación, de falla, del suelo y de la tierra de servicio.

IF =

V ( A ) RC + RTA + RF + RS + RTS

A C I

Si en el equipo eléctrico conectado al sistema se presenta una falla de aislación, este al no estar conectado a tierra, presentaría una resistencia de falla infinita. RF = ∞ (Ω) Al existir el transformador de aislación en el sistema mostrado en la figura 5.10, debe considerarse que este siempre presenta una resistencia infinita al paso de la corriente de defecto. RTA = ∞ (Ω) La resistencia de los conductores por ser muy pequeña dentro de los análisis teóricos se considera igual a cero. RC = 0 (Ω) La participación del suelo en la circulación de la corriente eléctrica se considera teóricamente ideal, es decir sin oposición. RS = 0 (Ω)



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La resistencia de la tierra de servicio siempre es distinta a cero, pero con un valor finito. 0 < RTS < ∞ (Ω) Según las condiciones indicadas anteriormente y considerando una tensión máxima posible de presentarse equivalente a la del sistema de alimentación en condición monofásica, la corriente de falla que se alcanzaría será:

IF =

220 = 0 ( A ) 0 + ∞ + ∞ + 0 + [≠ 0]

Según el resultado de la expresión anterior, en esta condición, no existiría una circulación de corriente. Si el defecto de aislación no es eliminado, y una persona entra en contacto con la carcaza del equipo, la resistencia de falla estaría dada teóricamente por la del cuerpo humano, que como se ha dicho se considera igual a 3000 ( Ω). Los parámetros de resistencia de los conductores, del trasformador de aislación, del suelo y de la tierra de servicio, permanecen con los valores indicados anteriormente, por lo que la corriente que pasaría por el cuerpo de la persona sería:

IF =

220 = 0 ( A ) 0 + ∞ + 3000 + 0 + [≠ 0]

Como puede observarse, la corriente que circularía por la persona sería igual a cero, por lo que el contacto eléctrico indirecto no existe, protegiendo al usuario y evidentemente manteniendo la continuidad del servicio, ya que no se necesita el accionar de al algún dispositivo de protección. El transformador de aislación es el responsable de mantener respecto a tierra, siempre una resistencia infinita, pero en el sistema bajo condiciones normales de funcionamiento, presenta un valor bastante bajo. El transformador de aislación debe ser construido de manera muy especial, sobre todo su carcaza, la que no debe ser conductora, además que al instalarlo en la red, el circuito secundario de este no debe tener ningún punto común con el circuito primario ni con ningún otro circuito. Programa de Estudio Ingeniería en Electricidad con Mención en Potencia

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Un resultado similar al logrado con el transformador de aislación, se obtiene no conectando a tierra el neutro del transformador de alimentación, pero lamentablemente en el caso de las redes trifásicas desequilibradas podría producirse un desplazamiento de neutro. El límite de tensión y de potencia para el uso de transformadores de aislación monofásicos es 10 (kVA), mientras que el caso trifásico es de 16 (kVA), según lo i ndicado en la norma técnica vigente. Este sistema es eficaz cuando hay un único aparato fallado; por ello se debe usar en instalaciones con muy pocos puntos de consumo. Este sistema pierde su eficacia para fallas dobles o múltiples debido a que comienza a circular corriente entre las carcazas de los equipos, con el consiguiente peligro de contacto eléctrico aislado de tierra para la persona que toque dos en falla y de incendio por calentamiento de las carcazas de los equipos. Esta debilidad se la puede superar utilizando detectores de fugas y de fallas de aislación, pero su elevado costo impide su utilización intensiva.

5.3.2.1.2

Empleo de Tensiones Extrabajas

Consiste en alimentar las instalaciones con tensiones de un valor lo suficientemente bajo como para poder ser tocadas directamente sin que exista riesgo en el caso de un defecto de aislación. Debido a que la tensión de alimentación es pequeña, no se requiere conectar a tierra los equipos. Una gran problemática que existe con el uso de este sistema, es la obtención de la tensión reducida, la que no es problemática lograrla si no que los equipos eléctricos tradicionales en nuestro medio vienen diseñados para operar con voltajes promedios de 220 (V). Este método es aplicable en una cantidad muy restringida de casos, y en general, para potencias pequeñas, puesto que exige grandes secciones de conductores. Su desventaja principal es el costo de implementación, y la poca versatilidad de utilización en las aplicaciones actuales de la energía eléctrica en instalaciones de potencia.

5.3.2.1.3

Empleo de Doble Aislación

El peligro de los contactos indirectos radica en la puesta bajo tensión de las carcazas metálicas de los equipos eléctricos integrantes de las instalaciones interiores, producto de la circulación de corrientes eléctricas por ellas cuando se encuentran conectadas a tierra.


5-13



La doble aislación consiste en recubrir las carcazas metálicas con materiales aislantes o construir carcazas no conductoras, evitando de este modo que frente a una falla del equipo la carcaza se energice poniendo en peligro al usuario. Por la tecnología disponible es solo aplicable a artefactos electrodomésticos o, a máquinas herramientas portátiles, además que su elevado costo hace i naplicable su uso intensivo.

S E N O I

otros métodos de protección.


Existen serias dificultades para evitar que una elevación de potencial de la unión se transfiera a

A C I

5.3.2.1.4

Empleo de Conexiones Equipotenciales

Consiste en interconectar todas las partes metálicas, como tuberías metálicas de agua potable, gas, canalizaciones eléctricas, partes principales, etc. con el objeto de evitar que entre ellas aparezcan diferencias de potencial. Este método sirve solo como solución a problemas locales; necesita operar combinadamente con

puntos remotos.

5.3.2.2

Medidas de Protección Clase B

Las medidas de protección clase B, persiguen principalmente interrumpir el suministro eléctrico de la instalación, o del sector en donde se produjo el defecto, para evitar que una persona quede sometida a un potencial peligroso durante un tiempo superior al normalizado. Pueden ser utilizadas en instalaciones puestas a tierra y en instalaciones puestas al neutro.

5.3.2.2.1

En Instalaciones Puestas a Tierra

El concepto de instalaciones puestas a tierra, consiste en conectar directamente a una tierra de protección, las carcazas de los equipos integrantes de la red eléctrica interior. Dentro de este esquema podemos encontrar las instalaciones con neutro sólidamente aterrizado y las con neutro flotante.


5-14



a) Con Neutro Sólidamente Aterrizado

Esta configuración es aplicable tanto a clientes con empalme de baja como de alta tensión. Consiste en tener una red de alimentación compuesta de un transformador en conexión delta – estrella sólidamente aterrizado, y las carcazas de los equipos conectados a una puesta a tierra de protección. L1 L2 L3 N T/F Compañía

TS-s

L1 L2 L3 N T/F Cliente

F N CP

TS-p

TP-p

TS-p

Cliente de BT

F N CP

TP-p

: Tierra de servicio del sistema (Compañía) : Tierra de servicio particular (Cliente) : Tierra de protección particular (Cliente) : Conductor de protección

Figura 5.11 – Puesta a tierra con neutro sólidamente aterrizado

El circuito eléctrico representativo tanto para el caso del cliente de alta como de baja tensión sería el siguiente:

RC

alimentación

resistencia conductores resistencia tierra de protección

resistencia tierra de servicio

RTS

RTP

resistencia del suelo RS

Figura 5.12 – Circuito eléctrico representativo de la figura 5.11



Cliente de AT

TS-s TS-p TP-p CP

S E N O I

5-15



La corriente de falla frente a una pérdida de aislación estaría determinada por la siguiente:

IF =

V RC + RTP + RS + RTS

( A )

La resistencia de los conductores (RC), y del suelo (RS), teóricamente se asumen igual a cero, mientras que la resistencia de la tierra de servicio (RTS), que si bien es cierto es distinta a cero, posee un valor bastante pequeño, por lo que en el análisis del defecto no se toma en consideración. Según esto, la corriente de falla estaría determinada fundamentalmente por la resistencia de la tierra de protección.

IF =

V ( A ) RTP

Del punto de vista normativo, para este esquema de neutro sea adecuado en la protección de las

S E N O I C A C I N U M O C E L E T Y

personas contra los contactos indirectos, las condiciones que debe cumplir son:

A C I

- La corriente de falla producto de una perdida de aislación deberá tener una magnitud tal que


asegure la operación del dispositivo de protección en un tiempo no superior a 5 segundos. - Una masa cualquiera no puede permanecer con relación a una toma de tierra, a un potencial que exceda el valor de tensión de seguridad prescrito en la NCH Elec 4/84, capítulo 9, sección 9.0.6.3. (24 volts para lugares húmedos y 65 volts para lugares secos). - Todas las masas de la instalación deben estar conectadas a la misma toma de tierra, es decir, se debe operar con una conexión del tipo colectiva. La primera condición que impone este sistema (a), es la más difícil de cumplir cuando el corte de suministro de la instalación o equipo en falla, depende de un dispositivo de corte automático operado por corriente de falla, los que pueden ser disyuntores termomagnéticos, o bien, protectores fusibles. Actualmente las instalaciones interiores están siendo protegidas por disyuntores termomagnéticos, razón por la cual, el análisis de verificación del cumplimiento de la primera condición indicada en este punto (tiempo de despeje no superior a 5 segundos), se realizará en función de éstas protecciones. Programa de Estudio Ingeniería en Electricidad con Mención en Potencia

5-16


Si suponemos que la instalación eléctrica cuenta con una protección termomagnética de 16 amperes y disparador magnético tipo “C”, la corriente necesaria para el disparo del dispositivo dentro del tiempo normalizado sería de 60 amperes. S E N O I

t (s)

5 (s)

I (A) 60 (A) Figura 5.13 – Determinación de la corriente de falla según tiempo normalizado

Según lo anterior, y considerando una tensión de seguridad de 24 (V), la ecuación representativa de este sistema tendría los siguientes parámetros:

IF =

V 24 24 ( A ) ⇒ 60 = ⇒ RTP = = 0,4 (Ω) RTP RTP 60

Por lo indicado, en la ecuación anterior, para que el sistema sea eficaz en la protección de las personas frente al contacto indirecto, necesitaría que la resistencia de la puesta a tierra de protección no supere los 0,4 (Ω), valor que en la práctica resulta imposible de lograr a un costo adecuado. Como en la práctica se hace muy difícil cumplir con el valor máximo de la resistencia de puesta a tierra, la norma NCH Elec 4/84 nos dice que, en este caso se deben utilizar dispositivos asociados a los de corte automático que sean los responsables de interrumpir el servicio frente a una falla de aislación; es decir un protector diferencial. Al utilizar un protector diferencial como dispositivo de interrupción, el análisis del cumplimiento de las condiciones normativas para este esquema de neutro, se deben realizar basándose en los parámetros de operación de los DDR.


5-17



Si utilizamos un diferencial de 30 (mA), al volver a evaluar la resistencia máxima de la puesta a tierra de protección sería de:

IF =

V 24 24 ( A ) ⇒ 0,03 = ⇒ RTP = = 800 (Ω) RTP RTP 0,03

S E N O I

Según la información anterior, vemos claramente que este sistema de protección por si solo no brinda el grado de protección adecuado, mientras que si le incluimos un protector diferencial (quien debe interrumpir suministro en caso de falla y no el termomagnético), el sistema mejora considerablemente, aunque la resistencia de la tierra de protección sea más elevada.

b) Con Neutro Flotante

El sistema consiste en tener el punto estrella del secundario del transformador de alimentación conectado a tierra de servicio por medio de una impedancia de un valor elevado, y las carcazas del

A C I

los equipos conectados a una tierra de protección, ya sea individual o colectiva. L1 L2 L3 N

Z

TS-p

L1 L2 L3 N CP

Z M

TP-e

M

TP-e

TS-p

TP individual

TS-p TP-e TP-c CP Z

M

M

TP-c TP colectiva

: Tierra de servicio particular (Cliente) : Tierra de protección exclusiva (por equipo) : Tierra de protección común (colectiva) : Conductor de protección : Impedancia de neutro

Figura 5.14 – Puesta a tierra con neutro flotante



5-18



Las condiciones que debe cumplir este sistema son las mismas indicadas para el sistema anterior (neutro sólidamente aterrizado). En el caso de no poder cumplir la primera condición (a), deberán cumplirse las siguientes otras condiciones: - Deberá existir un dispositivo automático de señalización que muestre cuando se haya presentado una única falla de aislación en la instalación. - En caso de fallas simultáneas que afecten la aislación de fases distintas o de una fase y neutro, la separación de la parte fallada de la instalación debe asegurarse mediante dispositivos de corte automático que interrumpan todos los conductores de alimentación, incluso el neutro (es decir protecciones tetrapolares en caso trifásico y bipolares en el caso monofásico). Se puede comprender de la figura 5.14, que este sistema se basa en el principio de que al estar aislado el neutro de la alimentación de la tierra de protección de la carga como sucedía en el caso del uso de transformadores de aislación, al existir una falla, no habría corriente de fuga que cierre el circuito por tierra, con lo cual, realmente el defecto se evita.


Una primera falla de aislación no hace operar las protecciones, manteniéndose la continuidad del servicio. Los conductores activos del sistema no presentan tensión respecto a tierra, por lo que el defecto no energiza la carcaza del equipo fallado con la consiguiente disminución de riesgos para usuarios y operarios. Lamentablemente todas las ventajas mencionadas, desaparecen cuando se presenta una segunda falla de aislación, puesto que el sistema aislado se convierte en puesto a tierra al ocurrir la primera falla. Los dispositivos que permiten el funcionamiento del sistema, corrigiendo o detectando oportunamente estas anomalías, tienen un elevado costo propio y de instalación. Al realizar la protección del usuario mediante los disyuntores termomagnéticos, se debe tener en cuenta que si las masas metálicas están interconectadas, la corriente del segundo defecto se convierte en un cortocircuito. Si esta corriente es mayor a la corriente de desenclavamiento del magnético, el disyuntor operará. En caso contrario la falla persiste. Recordemos que la corriente de defecto esta relacionada con la impedancia de falla en forma inversa (ley de Ohm), por lo tanto esta corriente variará dependiendo de la longitud y sección de los conductores, es decir, la protección termomagnética funcionará solo si la longitud y sección de estos es la adecuada.


S E N O I

5-19



Al utilizar un protector diferencial, se asegura la desconexión inmediata al segundo defecto, ya que solo de necesitará una corriente que sea igual a su sensibilidad. Verificamos una vez más que la protección diferencial nos asegura la protección adecuada de los usuarios de las instalaciones eléctricas.

5.3.2.2.2

En Instalaciones Puestas al Neutro

Esta configuración es aplicable tanto a clientes con empalme de baja como de alta tensión. El sistema consiste en unir las masas de la instalación al conductor neutro, de forma tal que las fallas francas de aislación se transformen en un cortocircuito fase – neutro, provocando la operación de los aparatos de protección. Para clientes con empalme de baja tensión, el conductor de protección se conectará al neutro en el punto más próximo al empalme, debiendo además, asociarse el sistema de neutralización a otro sistema de protección contra contactos indirectos que garantice que no existirán tensiones peligrosas en un eventual corte de neutro de la red de distribución. Para clientes con empalme de alta tensión, el conductor de protección se conectará directamente al borne neutro del transformador o, a la puesta a tierra de servicio del mismo. En este caso la resistencia de la puesta a tierra de servicio podrá ser como máximo de 20 ( Ω). L1 L2 L3 N

T/F Compañía

TS-s

F N CP

L1 L2 L3 N CP T/F Cliente

TS-p

F N CP

TS-p

Cliente de BT

TS-s TS-p CP

Cliente de AT

: Tierra de servicio del sistema (Compañía) : Tierra de servicio particular (Cliente) : Conductor de protección Figura 5.15 – Puesta al neutro


5-20



Las condiciones generales que se deben cumplir en el sistema puesta al neutro, o también llamado neutralización, según nuestra reglamentación nacional, son las siguientes: - La tierra de servicio se deberá diseñar de tal modo que, en caso de falla a masa, la tensión de cualquier conductor activo respecto a tierra no sobrepase los 250 (V). - El conductor neutro se pondrá a tierra en la proximidad del transformador de alimentación, en distintos puntos de la red a distancias no superiores a 200 mts. y en los extremos de líneas. No se podrá usar la puesta a tierra de protección de AT del transformador como puesta a tierra de servicio; deberá existir una separación mínima de 20 mts. entre ambas. - La resistencia total entre todas las puestas a tierra indicadas en el punto (b), no deberá exceder de 2 (Ω) - La resistencia de las puestas a tierra de servicio situadas en las proximidades del transformador, así como las de los últimos 200 mts. de los extremos de una línea, no deberá exceder los 5 ( Ω). - Los dispositivos de protección utilizados en el sistema deberán ser disyuntores o fusibles. - La corriente de falla en el punto asegurará una operación de las protecciones en un tiempo no superior a 5 segundos. - Todas las carcazas de los equipos deberán estar unidas a un conductor de protección el que estará unido al neutro de la instalación. - El conductor de protección será aislado y de iguales características que el neutro, incluida su sección. Si analizamos las características del sistema de neutralización podremos darnos cuenta que para poder convertir un defecto de aislación en un cortocircuito se debe perder el 100% de la aislación del equipo, lo cual no es posible de asegurar en todos los casos. Esto es debido fundamentalmente por la acción de la resistencia propia que tiene el material con el cual esta construida la carcaza de los equipos y la resistencia de los conductores, lo que significa que existe la posibilidad de que la corriente de falla no logre hacer que el dispositivo de protección opere en el tiempo normalizado, o simplemente, no interrumpa servicio.


5-21



La reglamentación nacional, recomienda utilizar el sistema de neutralización en conjunto con interruptores diferenciales de alta sensibilidad, efectuando la unión entre el neutro y el conductor de protección antes del diferencial. Al incluir un protector diferencial en el sistema de neutralización, tanto para clientes de baja como de alta tensión, basta una pequeña corriente de defecto (que este dentro del rango de desenclavamiento), para que el dispositivo desconecte el equipo fallado evitando definitivamente el contacto indirecto. En conclusión, la protección de los usuarios de las instalaciones eléctricas se debe realizar utilizando un conjunto de elementos y dispositivos que al actuar en combinación, pueden lograr proteger efectivamente a las personas frente a los contactos eléctricos. Estos elementos son las puestas a tierra y los dispositivos diferenciales residuales de baja tensión.

5.4.0

Protectores Diferenciales

Los protectores diferenciales o también llamados dispositivos diferenciales residuales (DDR), son elementos que aseguran la protección de los usuarios en todos los esquemas de neutro contra los contactos indirectos. Están destinados a abrir el circuito de alimentación a un equipo, cuando a través de una falla de aislación, circulen corrientes de valores que signifiquen riesgo para una persona que eventualmente pueda tocar el equipo fallado. Por su sensibilidad, evitan totalmente el riesgo de incendio, puesto que las corrientes de falla no pueden alcanzar valores ni siquiera medianos. Los DDR se basan el principio de la detección de las corrientes de fuga a tierra, por la lectura de las señales de entrada y salida de la carga. Para poder realizar esta función en forma correcta, necesita que la instalación cuente con una adecuada conexión a tierra. Sus únicas posibilidades de falla son que se trabe el mecanismo de operación, y en el caso de los diferenciales de más de 300 (mA), que se corte el conductor de puesta a tierra. Otro problema que puede hacer que la protección diferencial falle es el disparo intempestivo y el cegado. El primero ocasiona pérdida de la continuidad de servicio, mientras que el segundo, provoca que el usuario quede desprotegido por la no operación del diferencial. Esta problemática y su solución será descrita más adelante.


5-22



5.4.1

Principio de Funcionamiento

Básicamente el diferencial detecta corrientes de fuga producidas por alguna falla de aislación. La operación de apertura se realiza en el caso de los diferenciales para aplicaciones monofásicas, por diferencia de corriente entre fase y neutro, y en el caso de los de aplicaciones trifásicas por diferencias de corriente en operación fasorial, entre las señales de fases o fase y neutro si esto último procede. El protector diferencial, presenta principalmente tres variables de operación, las cuales son: 1.

Corriente de func ionam iento (I ). F Corresponde

a la corriente de sensibilidad del diferencial, a

la cual debe operar en todos los casos. 2.

Corriente de no func ionamiento (I /2). Corresponde N

a la corriente a la cual el diferencial no

debe operar en ningún caso, y es igual a la mitad del valor de la corriente de funcionamiento. 3.

Tiempo de func ionamiento (t). Es

el tiempo en el cual, a la corriente de funcionamiento,

debe operar el diferencial. Por norma este tiempo no debe exceder de 300 (ms); en la

(7)

(1) (2) (4)

(3)

(1) (2) (2) (2)

(T) (4)

(5)

(5)

(3)

(6)

(T)

TS

TP

TS

Para aplicaciones monofásicas

(1) (2) (3) (4) (5) (6) (7) (T)

M

(6)

TP

TP

Para aplicaciones trifásicas

: Bobina principal de neutro : Bobina principal de fase : Bobina de detección : Relé sensible : Resistencia de prueba : Botón de prueba : Contactos de apertura : Toroide

Figura 5.16 – Esquema del protector diferencial



realidad, este tiempo no supera normalmente los 50 (ms).

(7)

S E N O I

5-23


En condiciones normales de operación del sistema, las corrientes que llegan a la(s) bobina(s) principal(es) de fase y de neutro, producen un flujo magnético que es inducido en el toroide, el cual refleja el flujo resultante en la bobina de detección. Cuando no existe falla, las señales de las bobinas principales se auto cancelan ya sea por oposición (caso monofásico), o por suma fasorial (caso trifásico). En el caso de una defecto, el flujo resultante en la bobina de detección es distinto a cero, por lo que aparece entre sus terminales un determinado potencial; este voltaje activa inmediatamente al relé sensible que a su vez, envía una orden de operación a los contactos de apertura.

5.4.2

Tipos de Protectores Diferenciales

En el mercado eléctrico existen diferentes tipos de protectores diferenciales, cada uno de ellos, adecuado para una aplicación en particular. Atendiendo a sus características de operación los dispositivos diferenciales residuales (DDR), se tipifican en: Interruptores Diferenciales, Disyuntores Diferenciales, Block Diferenciales y Relés Diferenciales

5.4.2.1

Interruptor Diferencial

Este dispositivo comprende la función diferencial y la de interrupción, por medio del mecanismo de detección y el mecanismo de apertura, que le permite operar sobre si mismo. Este diferencial es el de uso común en prácticamente todo tipo de instalaciones eléctricas de baja tensión interiores. Por sus características de interruptor, este dispositivo no está capacitado para soportar corrientes de cortocircuito superiores a 1,5 kA, por lo tanto, dentro de un circuito de protección, aguas arriba del DDR, se deberá instalar un dispositivo que lo proteja contra la corriente de cortocircuito, el que puede ser un fusible o bien, un a protección termomagnética. El fabricante deberá entregar tablas de asociación de protecciones en donde se muestre el nuevo valor de corriente de

Figura 5.17 – Interruptor diferencial

cortocircuito que el diferencial es capaz de soportar sin destruirse.


5-24



5.4.2.2

Disyuntor Diferencial

Estos dispositivos unen en un solo elemento la función termomagnética y la función diferencial, es S E N O I

decir, protegen a las instalaciones y los usuarios de estas, en forma conjunta. Según lo anterior, este tipo de protección diferencial, es capaz de ofrecer una protección integral contra las fallas más comunes de las instalaciones eléctricas, como ser: sobrecargas, cortocircuitos y fallas de aislación. Figura 5.18 – Disyuntor diferencial

Respecto a su operación frente a fallas, si ésta es una sobrecarga o cortocircuito, solo el elemento de desenganche del termomagnético tomara la posición OFF, mientras que el del diferencial queda en estado ON. En el caso de falla de aislación, producto del enclavamiento mecánico que existe entre los elementos de desenganche del termomagnético y del diferencial, cuando el DDR asume el estado OFF, arrastra al termomagnético, haciendo que este interrumpa el suministro.

5.4.2.3

Block Diferencial

Este aparato incorpora solo el toroide de detección y el sistema de envío de señal de defecto. No opera sobre si mismo (no permite seccionamiento directo), si no que envía la señal de apertura a un disyuntor al cual se ha acoplado en forma directa.

Figura 5.19 – Block diferencial

Este dispositivo una vez que se ha asociado con un interruptor termomagnético, asume las mismas características que un disyuntor diferencial.


5-25



5.4.2.4

Relé Diferencial

Este tipo de protección se constituye de un toroide sensor de corriente de defecto, el que está separado físicamente del elemento de envío de señal de apertura. Las líneas a censar pasan S E N O I

por dentro del toroide (fases y neutro). Al existir una falla, el toroide envía una


señal al relé (que se encuentra a cierta distancia dentro del tablero). El relé a su vez, envía una señal de apertura a un interruptor automático aguas arriba de la falla, por medio de un contacto auxiliar y el automático opera despejando la falla. Este relé tiene la opción de poder variar su

Figura 5.20 – Relé diferencial

tiempo de operación y su corriente de sensibilidad.

5.4.3

A C I

Clase de Diferenciales

Dependiendo de las características de la señal de trabajo que circule por el dispositivo, los diferenciales se clasifican en: - Diferenciales Clase AC - Diferenciales Clase A

5.4.3.1

Diferencial Clase AC

Los diferenciales Clase AC son dispositivos que aseguran la función correcta de protección y trabajo, solo si se instalan en redes de corriente alterna con cargas que presenten una respuesta de corriente totalmente sinusoidal simétrica. Las cargas que poseen elementos semiconductores en sus fuentes de alimentación, producen una respuesta de corriente a la señal de excitación, con una forma de onda que no es sinusoidal pura.


5-26



S E N O I Figura 5.21 – Señales de corriente no sinusoidales

Si en un equipo que tiene una respuesta de corriente tal como las mostradas en la figura 5.21, se presenta un defecto de aislación, esta falla no es detectada por los diferenciales Clase AC, por lo que el usuario queda desprotegido. A este problema se le conoce como el cegado diferencial. La corriente de fuga permanente de la carga, no debe confundirse con la corriente de falla producto de una pérdida de aislación. La primera, es debida al funcionamiento normal del equipo, fundamentalmente de su fuente (filtros antiparásitos), y tiene por lo general una forma de onda sinusoidal con cierto grado de distorsión; esta señal produce una leve diferencia de amplitud de corriente entre fase y neutro de la alimentación al equipo, pero no provoca el efecto del cegado, sino que, en grupos importantes (muchos de estos equipos en un mismo circuito), podría ocasionar un disparo intempestivo. La corriente de falla debida al defecto de aislación, es una señal fortuita que presenta una forma de onda igual que la corriente de respuesta del equipo, y que se sobrepone a la señal alterna debida a la fuga permanente en el conductor de tierra. Los diferenciales Clase AC no operan para fallas con señales no alternas puras, debido a las características del material ferromagnético con el que está constituido el núcleo toroidal. La curva de histéresis de estos toroides, tiene una característica de comportamiento vertical, por lo que para poder completar su ciclo, y producir la energía suficiente para que en la bobina de detección aparezca un potencial inducido, (Ley de Faraday), la señal debe poseer una forma de onda sinusoidal simétrica, es decir, el semiciclo positivo y el negativo deben poseer igual amplitud. Un diferencial Clase AC, por lo explicado anteriormente, no operaría en el caso de señales continuas, independiente de que el valor de la corriente de defecto supere el umbral de operación del diferencial.


5-27



Los diferenciales Clase AC, están expuestos a los denominados disparos intempestivos, debido a perturbaciones de características transitorias, tanto de origen interno como externo. Los diferenciales actuales de la Clase AC de Legrand, cumplen con las restricciones dadas por la IEC 1008 y 1009; la EN 61008 y 61009; y CEM 1000-4-5, las cuales indican que estos deben soportar sin lograr operación las pruebas de sobreintensidad oscilatoria amortiguada y la de corriente de choque. La prueba de sobreintensidad oscilatoria amortiguada,

normalizada

del

0,5µs/100kHz, corresponde al tipo de corriente

que

escaparía

por

las

capacidades de la instalación, en caso de

sobretensión

provocada


I

tipo 100% 90%

10 µS ( f =100 kHz) 10%

por t

maniobras de conexión/desconexión o encendido/apagado. Aquí el protector diferencial debe ser capaz de soportar puntas de corriente entre 200 y 250 A.

-60%

A C I

Figura 5.22 – Sobreintensidad oscilatoria amortiguada

Esta prueba reduce el riesgo del disparo intempestivo por puntas de corriente, sobre todo en el encendido/apagado de las cargas, pero no es la solución definitiva para el caso de las redes de alimentación a equipos computacionales. La prueba de corriente de choque, normalizada del tipo 8/20 µs, simula la punta de corriente que se produciría debida a sobretensiones producto de la caída de un rayo del tipo 1,2/50 µ. Los diferenciales deben soportar un valor de 250 A tipo 8/20µs. I I max

0,9 0,5 0,1 8 µS

t

20 µS

Figura 5.23 – Corriente de choque


S E N O I

5-28



5.4.3.2

Diferencial Clase A

Estos diferenciales permiten resolver el problema de no operación de los dispositivos Clase AC, cuando se tienen fallas de aislación de corriente alterna con componente continua. Esto se debe a que el toroide de los diferenciales Clase A, es de material más energético que los utilizados en los Clase AC. Lo anterior hace que el toroide tenga una curva de histéresis de característica diagonal extendida, lo que implica que el diferencial pueda trabajar con señales no necesariamente alternas puras, es decir, le bastan pequeñas variaciones de la señal para producir la energía suficiente para activar al relé sensible y provocar el disparo. Si bien es cierto, este tipo de diferencial no presenta el problema del no disparo para señales alternas distorsionadas (cegado diferencial), y por lo tanto, la seguridad del usuario no se vería afectada, persiste aún el problema del disparo intempestivo en redes computacionales. Se debe entender que las pruebas señaladas para el caso de los diferenciales Clase AC, también las cumplen los diferenciales Clase A. El disparo intempestivo por puntas de corriente de encendido/apagado de equipos computacionales, es debida por un lado a la amplitud de la señal, la que puede ser reducida disminuyendo la cantidad de equipos por circuitos (solución un tanto costosa), y por otro, al tiempo de permanencia de la corriente, variable que no es posible de controlar con los diferenciales Clase A.

5.4.4

Corriente de Ruptura Diferencial

La norma IEC 1008 establece que el poder de ruptura diferencial, es el valor de la componente alterna de la corriente diferencial que un protector diferencial puede soportar durante su tiempo de apertura e interrumpir bajo condiciones prescritas. Luego de la apertura el diferencial debe quedar operativo. En este caso, la corriente diferencial corresponde a la corriente de cortocircuito que está pasando por el toroide de detección. En la práctica este caso se puede dar cuando: - Tenemos una falla franca de aislación y la carcaza queda energizada con la tensión de fase. - Estamos en un sistema de neutralización y la conexión de la carcaza al neutro se ha desconectado. - Se produce una corriente de cortocircuito que circula a través del diferencial.


5-29



5.4.5

Selectividad Diferencial

Como partida para el análisis de la selectividad en la utilización de los dispositivos diferenciales, recordemos que los diferenciales tienen tiempos constantes de desenclavamiento, independiente de su sensibilidad. Lo anterior es un hecho real, ya que los fabricantes se ciñen a las normativas internacionales respecto a este punto, y dan tiempos iguales de desenclavamiento a todos los diferenciales, sin importar su sensibilidad. Ya se ha mencionado que por norma los diferenciales deberán operara en un tiempo máximo de 300 milisegundos. Normalmente todos están regulados para su operación en tiempos inferiores a 50 milisegundos. P

4×40 300 mA

D

Por ejemplo, para el caso de la figura 5.24, si la corriente de defecto en el punto de falla supera la en la instalación (>300 mA), en un instante (no P

P D

diferenciales al mismo tiempo, o en tiempos

P D

D

2×25 30 mA

diferentes pero en forma aleatoria. IF

Solamente se puede establecer una selectividad Figura 5.24 – Selectividad diferencial

diferencial, en las dos condiciones siguientes:

1. Si la corriente de defecto (IF), es mayor que la sensibilidad del diferencial de 30 mA, y menor que la corriente de no funcionamiento del diferencial de 300 mA. 2. Si instalamos un diferencial selectivo (retardado), aguas arriba (300 mA), del punto de protección por diferencial de 30 mA. En forma general:

Los

diferenciales

tienen

tiempo

de

desenclavamiento

constante,

independiente de su sensibilidad.



sensibilidad del diferencial que está aguas arriba gradual, si no instantáneo), desconectarán los dos

S E N O I

5-30



5.4.6

El Diferencial en los Circuitos de Computación

En la actualidad existe en nuestro medio, la problemática del uso de protectores diferenciales en circuitos de alimentación a cargas con características no lineales, por que se ha detectado que estos presentan el problema del disparo intempestivo. Esta operación que evidentemente no es para nada deseada por los usuarios de las redes informáticas, muchas veces se la atribuye solo a los armónicos que generan estos equipos, descuidándose otros fenómenos que en un alto porcentaje, son verdaderamente los culpables. Desde el punto de vista del protector diferencial, el efecto del armónico solo debemos analizarlo en función de la frecuencia que este tenga, y no de su secuencia, debido a que esta última no se relaciona con el disparo diferencial. La frecuencia de la señal produce en los diferenciales Clase AC y Clase A, un aumento en su umbral de desenclavamiento, debido al también aumento de las pérdidas en el núcleo toroidal, y de la impedancia de la bobina de detección. La siguiente grafica muestra esta situación en un diferencial Clase AC bipolar de 30 mA:

S E N O I C A C I N U M O C E L E T Y A C I

A m n e l a r b m U

Frecuencia en Hz Figura 5.25 – Efecto de frecuencia sobre el umbral de operación de un diferencial AC / 30 mA

Los computadores y cargas similares, normalmente generan en su mayoría el tercer armónico. Según esto y analizando la figura 5.25, estos armónicos aumentan levemente el punto de desenclavamiento diferencial, pero el umbral de disparo se sigue manteniendo y por consiguiente también su acción protectora.


5-31



Las cargas no-lineales como los computadores, impresoras, etc., producen corrientes de fuga a tierra permanente a 50Hz, esto se debe a que para estar en conformidad con las Directivas Europeas de Compatibilidad Electromagnética, los fabricantes los han equipado con filtros antiparásitos. La norma EN 60950 autoriza valores de corriente de fuga a tierra para los equipos de automatización de oficina y computacionales de 3,5 (mA) en la mayoría de los casos. Mediciones reales efectuadas por la UTE (organismo francés de normalización), han arrojado los siguientes valores de corrientes de fuga en 230 (V):


Tabla N°5.1 Corrientes de fuga permanentes de algunos equi pos Equip o

Corrient e de Fuga en (mA)

Fax Impresora Terminal computacional Fotocopiadora

0,5 a 1 menos de 1 1,5 0,5 a 1,5

Otro parámetro que es importante analizar es la corriente transitoria que se origina en el momento de encendido del equipo. Al encender un computador la corriente de partida, o también llamada corriente en frío, puede alcanzar en promedio las 6 veces la corriente nominal del equipo. Como la corriente de fuga permanente en alguna medida se relaciona con la corriente de encendido, podemos asumir con un margen de error aceptable, que en el momento de arranque del computador, la fuga permanente presenta un valor pick también del orden de las 6 veces la corriente normal a tierra. Si la corriente de fuga permanente del circuito en donde se encuentra instalado un diferencial tradicional, es aproximadamente igual a la corriente de no funcionamiento del dispositivo, toda leve punta de corriente o punto máximo de consumo (encendido de uno o varios computadores del mismo circuito), puede provocar el disparo intempestivo del diferencial. Una forma muy clásica de resolver una parte de este tipo de problemas es dividir los circuitos de alimentación (más circuitos con menos cargas por cada uno), y por consiguiente, fraccionar la corriente de fuga permanente en el conductor de tierra; con esto, se evita que las corrientes de fuga soportadas por cada diferencial tradicional (Clase AC), lleguen a un nivel crítico susceptibles de someterlo a activaciones intempestivas. Esta solución resulta evidentemente antieconómica, debido generalmente a la gran cantidad de computadores que es posible de existir en las instalaciones actuales, además, que no ofrece un 100% de seguridad de que no operen los diferenciales tradicionales, si la propia instalación presenta fuertes sobrecorrientes transitorias.


S E N O I

5-32

A C I N Ó R T C E L E , D A D I C I R T C E L E A E R Á


5.4.7

Los Diferenciales con Alto Poder de Inmunización

Si bien en cierto la tecnología en la construcción de los diferenciales ha mostrado un notable aumento, lamentablemente estas mejoras (sobre todo en circuitos de alimentación a cargas computacionales), en ocasiones no son suficientes en la eliminación de los cegados y disparos intempestivos. Como sabemos, el cegado tiene un efecto directo en la protección del usuario, debido a que este queda desprotegido frente a defectos de aislación por la no operación del diferencial (no disparo en presencia de falla). En cambio el disparo intempestivo (operación sin presencia de falla), sacrifica la continuidad del servicio, la que evidentemente es una de las premisas principales a cumplir dentro del diseño de los sistemas de protección. Por lo anterior, y en su constante preocupación de asegurar el más alto nivel de seguridad y calidad en sus productos, Legrand introdujo al mercado nacional su gama de protecciones con alto poder de inmunización, o llamada simplemente Hpi, la que asegura la integridad del usuario como la continuidad del servicio. La tecnología de los diferenciales Hpi, está basada en el mismo principio de funcionamiento que la tecnología estándar, y está especialmente diseñada para resistir las perturbaciones cada vez más frecuentes, debido a las diferentes etapas que debe sortear la corriente de fuga para poder lograr el disparo de la protección diferencial.

Figura 5.26 – Etapas del diferencial Hpi

Núcleo Toroidal. Su material de construcción pertenece a la familia de los nanocristalinos, con

efecto de baja remanencia y saturación más alta (Clase AC ≈ 0,6 Teslas, mientras que el Hpi ≈ 1,2 Teslas), lo que permite captar señales más lineales y facilita el procesamiento de la información. Este tipo de diferenciales es adecuado para trabajar con cargas que generen corrientes de fuga a tierra alterna con o sin componente continua, debido a que no presentan el problema del cegado que sí afecta a los tradicionales Clase AC.


5-33



Bobinado Secundario. El bobinado de este tipo de diferenciales presenta un número mayor de

vueltas que los bobinados de los diferenciales tradicionales, e incluso del Clase A normal, esto es debido a que el circuito de disparo necesita un mayor valor de voltaje para trabajar. Varistancia. Es un limitador de puntos máximos, para resolver fenómenos transitorios de corriente

muy alta, de 250 a 3000 amperes. Gracias a esto, los diferenciales Hpi, resisten niveles superiores a los previstos por ejemplo por las normas IEC 1008 e IEC 1009 y soportan, sin disparo, la mayoría de las sobreintensidades transitorias provocadas por descargas atmosféricas. Por lo tanto, este elemento, permite evitar el disparo intempestivo más común provocado por maniobras en la red que se transmiten por las capacidades de la línea y los filtros de l os receptores. Filtro. Permite atenuar las perturbaciones debidas a frecuencias elevadas, las que son generadas

y enviadas a tierra por los filtros de algunos receptores como las reactancias electrónicas del alumbrado fluorescente, los variadores de velocidad de los motores, los variadores electrónicos de intensidad luminosa, etc. El diseño CEM (compatibilidad electromagnética), del filtro permite evitar el cegado en presencia de frecuencias de hasta 1 kHz, lo que implica que usuario no queda desprotegido hasta este valor, ya que el tiempo de disparo de la protección cumple con el tiempo máximo exigido de 300 (ms) Temporización . Los diferenciales inmunizados, frente a corrientes residuales transitorias no

operan manteniendo la continuidad del servicio, esto es debido a que el sistema de temporización espera como máximo 10 ms, antes de permitir el paso de la señal al relé de disparo, por lo tanto, absorbe los desequilibrios debidos a sobretensiones transitorias debidas a la conmutación de cargas inductivas o capacitivas (a tierra), como también a descargas capacitivas. En lo que respecta a la protección contra contactos eléctricos, este diferencial aun que se demora 10 ms más que los tradicionales en abrir sus contactos, los usuarios siguen estando protegidos, debido a que, como sabemos, el tiempo límite de apertura normalizado es de 300 ms Relé. En los diferenciales estándares, el relé de disparo recibe continuamente una señal eléctrica

del transformador toroidal lo que crea un riesgo permanente de disparo intempestivo o de bloqueo. El problema anterior se debe a la baja impedancia que tiene el relé de disparo (aproximadamente 2,5 (Ω), por lo que pequeñas variaciones de señal provocadas por puntas de corriente, ocasionan la respuesta del relé.


5-34



En los diferenciales Clase A, la impedancia de su relé de disparo es de aproximadamente 25 ( Ω), lo que brinda una mayor seguridad frente a disparos intempestivos ocasionados por puntas de corriente de hasta 250 (A). El problema es que para puntas superiores, el relé puede producir el disparo del diferencial. En los diferenciales Hpi, el relé presenta una impedancia del orden de los 600 ( Ω), lo que permite que este dispositivo soporte puntas de corriente de 3000 a 5000 (A), por lo que se disminuye fuertemente el problema del disparo intempestivo. El diferencial Hpi, dada su inmunidad a fenómenos transitorios, está particularmente adaptado a las instalaciones que alimentan a cargas computacionales. De hecho, aun cuando las corrientes de fuga permanentes a tierra sean importantes (por ejemplo, de aproximadamente un 50% del umbral de disparo, es decir, su corriente de no funcionamiento), la superposición en esta corriente de una sobrecorriente transitoria, que no sea peligrosa para el usuario, no hará que se active el protector diferencial. Lo anterior es válido, incluso si la sobrecorriente es suficiente por sí misma para hacer que se active un diferencial clásico. Según esto, al usar el diferencial Hpi se puede evitar tener que aumentar la cantidad de circuitos y, por consiguiente, reducir el número de protecciones diferenciales para cierto número de aplicaciones. De este modo se puede garantizar para estas aplicaciones un menor costo de instalación, de materiales y una mejor fiabilidad de las protecciones diferenciales. En resumen, si estamos en un nivel de corriente de fuga permanente importante, pero inferior al umbral de operación (por ejemplo 9 mA), y se producen leves sobrecorrientes (consideremos 8 mA), se prevén dos soluciones; una es subdividir circuitos lo cual puede ser muy costoso, o bien utilizar un Hpi sin necesidad de la subdivisión. Ahora bien, si la corriente de fuga transitoria es suficiente para activar por sí sola el diferencial (por ejemplo 25 mA), entonces solo existe una solución: utilizar un diferencial Hpi. Finalmente, si las corrientes de fuga permanentes son suficientes por sí solas para activar el diferencial (por ejemplo 20 mA), entonces hay que dividir los circuitos y utilizar el Hpi, con el fin de evitar las activaciones intempestivas debidas a los fenómenos transitorios.


5-35


10_Protección de Las Personas

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