PROTECCIONES ELÉCTRICAS DE BAJA TENSIÓN
Área de EET
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ÍNDICE
CAPÍTULO I ANORMALIDADES EN LAS REDES ELÉCTRICAS .......................................... 6 1.1.0 1.1.1 1.1.2 1.2.0 1.2.1 1.2.1.1 1.2.1.2 1.2.1.3 1.2.1.4 1.2.2 1.2.2.1 1.2.2.2 1.2.2.3 1.3.0 1.3.1 1.3.2 1.3.3 1.3.4
Características Operativas de las Redes Eléctricas ........................... Estado Normal de Operación ............................................................. Estado Anormal de Operación ........................................................... Perturbaciones en las Redes Eléctricas ............................................. Sobre la Amplitud de la Señal ............................................................ Fluctuaciones de Voltaje .................................................................... Interrupciones de Voltaje .................................................................... Impulso de Voltaje .............................................................................. Transitorio de Corriente ...................................................................... Sobre la Onda Senoidal ..................................................................... Ruido .................................................................................................. Parpadeo ............................................................................................ Armónicos ........................................................................................... Fallas en las Redes Eléctricas ............................................................ Sobrecargas ....................................................................................... Cortocircuitos ...................................................................................... Asimetrías ........................................................................................... Falta de Aislación ...............................................................................
7 7 9 10 10 11 12 13 15 16 16 17 18 20 20 21 22 23
CAPÍTULO II CÁLCULO DE CORTOCIRCUITOS EN REDES DE BAJA TENSIÓN .............. 24 2.1.0 2.2.0 2.2.1 2.2.2 2.2.3 2.2.4 2.3.0 2.4.0 2.4.1 2.4.2
El Cortocircuito ................................................................................... Amplitud de la Corriente de Cortocircuito ........................................... Momento de Ocurrencia ..................................................................... Duración ............................................................................................. Ubicación ............................................................................................ Topología ............................................................................................ Componentes del Cortocircuito .......................................................... Cálculo de la Amplitud del Cortocircuito ............................................. Simétrica ............................................................................................. Asimétrica ...........................................................................................
25 26 27 28 29 30 31 38 38 40
CAPÍTULO III PROTECCIÓN DE LAS INSTALACIONES ........................................................ 42 3.1.0 3.1.1 3.1.2
Exigencias para la Protección de las Instalaciones ............................ 43 Para Instalaciones de Alumbrado ....................................................... 43 Para Instalaciones de Fuerza ............................................................. 45
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3.1.3 3.2.0 3.2.1 3.2.1.1 3.2.1.2 3.2.2 3.2.2.1 3.3.0 3.4.0
Para Instalaciones de Computación ................................................... Interruptores Automáticos .................................................................. Protecciones Modulares ..................................................................... Características de Operación ............................................................. Capacidad de Ruptura ........................................................................ Protecciones Moldeadas .................................................................... Clasificación ....................................................................................... Interruptores Limitadores .................................................................... Condiciones de Utilización ..................................................................
46 46 47 48 51 52 53 57 60
3.4.1 3.4.2 3.5.0 3.5.1 3.5.2 3.5.3 3.5.4
Selectividad .................................................................. Coordinaciónde deOperación la Protección ............................................................ Modificación de los Parámetros ......................................................... En Función de la Temperatura ........................................................... En Función de la Cantidad de Aparatos Yuxtapuestos ...................... En Función de la Frecuencia .............................................................. En Función de la Altura ......................................................................
60 62 63 63 64 64 66
CAPÍTULO IV PROTECCIÓN DE LOS MOTORES .................................................................. 67 4.1.0 4.1.1 4.1.2 4.1.3 4.2.0 4.2.1 4.2.2 4.2.3 4.3.0 4.4.0
Fallas en los Motores Eléctricos ......................................................... Sobrecargas ....................................................................................... Ausencia de Fase ............................................................................... Cortocircuitos ...................................................................................... Dispositivos de Protección Térmica .................................................... Relés Bimetálicos ............................................................................... Sondas Térmicas ................................................................................ Relés Electrónicos .............................................................................. Cortacircuitos Fusibles ....................................................................... Interruptor Automático de Motor .........................................................
68 69 71 72 74 74 79 81 85 95
CAPÍTULO V PROTECCIÓN DE LAS PERSONAS ................................................................. 98 5.1.0 5.1.1 5.1.2 5.2.0 5.2.1 5.2.2
Orígenes del Riesgo para las Personas ............................................. Contacto Directo ................................................................................. Contacto Indirecto .............................................................................. Parámetros que Inciden en un Accidente Eléctrico ............................ Corriente que Circula por el Cuerpo y Tiempo de Exposición ............ Tensión Aplicada y Resistencia del Cuerpo .......................................
99 99 102 103 104 105
5.3.0 5.3.1 5.3.2 5.3.2.1
Medidas ProtecciónDirectos Contra ............................................................ los Contactos Eléctricos .................... Contra losdeContactos Contra los Contactos Indirectos ......................................................... Medidas de Protección Clase A .........................................................
107 107 108 109
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5.3.2.1.1 5.3.2.1.2 5.3.2.1.3 5.3.2.1.4 5.3.2.2 5.3.2.2.1 5.3.2.2.2 5.4.0 5.4.1
Empleo de Transformadores de Aislación .......................................... 109 Empleo de Tensiones Extrabajas ....................................................... 112 Empleo de Doble Aislación ................................................................. 113 Empleo de Conexiones Equipotenciales ............................................ 114 Medidas de Protección Clase B ......................................................... 114 En Instalaciones Puestas a Tierra ...................................................... 114 En Instalaciones Puestas al Neutro .................................................... 121 Protectores Diferenciales ................................................................... 124 Principio de Funcionamiento .............................................................. 124
5.4.2 5.4.2.1 5.4.2.2 5.4.2.3 5.4.2.4 5.4.3 5.4.3.1 5.4.3.2 5.4.4 5.4.5 5.4.6 5.4.6.1
Tipos de Diferenciales ........................................................................ 126 Interruptor Diferencial ......................................................................... 126 Disyuntor Diferencial .......................................................................... 127 Block Diferencial ................................................................................. 128 Relé Diferencial .................................................................................. 128 Clases de Diferenciales ...................................................................... 129 Diferencial Clase AC .......................................................................... 129 Diferencial Clase A ............................................................................. 132 Corriente de Ruptura Diferencial ........................................................ 132 Selectividad Diferencial ...................................................................... 133 El Diferencial en los Circuitos de Computación .................................. 134 Los Diferenciales con Alto Poder de Inmunización ............................. 137
Bibliografía ........................................................................................................ 141
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CAPÍTULO I ANORMALIDADES EN LAS REDES ELÉCTRICAS
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1.1.0
Características Operativas de las Redes Eléctricas
Durante su funcionamiento, todo sistema eléctrico puede presentar dos estados operativos, los que dependiendo de su orientación, pueden causar daños o anomalías en el ciclo de transmisión de la energía eléctrica al interior de las instalaciones. Dependiendo de la magnitud y tipo de variación de la señal de alimentación, los dispositivos de protección deberán ser capaces de discriminar si esta es perjudicial o no para el sistema.
1.1.1
Estado Normal de Operación
El estado de funcionamiento de una sistema es normal, cuando las variables eléctricas se encuentran dentro de los márgenes preestablecidos por la reglamentación eléctrica vigente y, a la vez, por las exigencias dadas por los fabricantes de los equipos eléctricos asociados a la instalación. Los parámetros que identifican fundamentalmente si el sistema opera en forma normal son la tensión y la frecuencia. En general, un sistema eléctrico desde la óptica de la fuente de suministro se considera operando en forma normal, siempre y cuando las variaciones u holguras de la tensión nominal en el punto de conexión de ella con la carga o instalación interior, sean las siguientes:
a) En Baja Tensión (BT): Excluyendo períodos con interrupciones de suministro, el valor estadístico de la tensión debe estar dentro del rango de
±
7,5% durante el
95% del tiempo.
b) En Media Tensión (MT): Excluyendo períodos con interrupciones de suministro, el valor estadístico de la tensión debe estar dentro del rango ± 6,0% durante el 95% del tiempo.
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c) En Alta Tensión (AT): Excluyendo períodos con interrupciones de suministro, el valor estadístico de la tensión debe estar dentro del rango de ± 5 % durante el 95% del tiempo para el caso de sistemas con una tensión nominal de 154 kV, y ± 6 % para los sistemas inferiores a 154 kV. Para el caso de la frecuencia, en condiciones normales de operación, el valor promedio de la señal fundamental (50 Hz), debe encontrarse en el rango siguiente:
a) Sistemas con capacidad instalada en generación superior a 100 MW, en los cuales el aporte de energía de centrales hidroeléctricas supere el 60% del consumo total: - sobre 49,8 Hz y bajo 50,2 Hz durante al menos el 99% del tiempo. - entre 49,3 Hz y 49,8 Hz durante no más de un 0,5% del tiempo. - entre 50,2 y 50,7 Hz durante no más de un 0,5% del tiempo.
b) Sistemas con capacidad instalada en generación superior a 100 MW, en los cuales el aporte de energía de centrales hidroeléctricas no supere el 60% del consumo total: - sobre 49,8 Hz y bajo 50,2 Hz durante al menos el 97% del tiempo. - entre 49,3 Hz y 49,8 Hz durante a lo más un 1,5% del tiempo. - entre 50,2 y 50,7 Hz durante a lo más un 1,5% del tiempo.
c) Sistemas con capacidad instalada en generación entre 1,5 MW y 100 MW, en los cuales el aporte de energía de centrales hidroeléctricas supere el 60% del consumo total: - sobre 49,8 Hz y bajo 50,2 Hz durante al menos el 98% del tiempo. - entre 49,3 Hz y 49,8 Hz durante a lo más un 1,5% del tiempo. - entre 50,2 y 50,7 Hz durante a lo más un 1,5% del tiempo. - sobre 49,0 Hz y bajo 49,3 Hz durante a lo más el 0,5% del tiempo. - sobre 50,7 Hz y bajo 51,0 Hz durante a lo más el 0,5% del tiempo.
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d) Sistemas con capacidad instalada en generación entre 1,5 MW y 100 MW, en los cuales el aporte de energía de centrales hidroeléctricas no supere el 60% del consumo total: - sobre 49,8 Hz y bajo 50,2 Hz durante al menos el 96% del tiempo. - entre 49,3 Hz y 49,8 Hz durante a lo más un 3,0% del tiempo. - entre 50,2 y 50,7 Hz durante a lo más un 3,0% del tiempo. - sobre 49,0 Hz y bajo 49,3 Hz durante a lo más el 1,0% del tiempo. - sobre 50,7 Hz y bajo 51,0 Hz durante a lo más el 1,0% del tiempo.
e) Sistemas con capacidad instalada en generación menor que 1,5 MW: - sobre 49,8 Hz y bajo 50,2 Hz durante al menos el 94% del tiempo. - entre 49,3 Hz y 49,8 Hz durante a lo más un 4,0% del tiempo. - entre 50,2 y 50,7 Hz durante a lo más un 4,0% del tiempo. - sobre 49,0 Hz y bajo 49,3 Hz durante a lo más el 2,0% tiempo. - sobre 50,7 Hz y bajo 51,0 Hz durante a lo más el 2,0% del tiempo. Si analizamos el caso de las instalaciones interiores que dependen de la fuente de suministro, podemos deducir que la frecuencia de la señal es dependiente de la situación de la alimentación (descartando el problema de la distorsión por armónicos), por lo que el parámetro de análisis en la determinación de las condiciones normales de operación es: la tensión de suministro al equipamiento final de la red o instalación eléctrica interior.
1.1.2
Estado Anormal de Operación
El estado anormal, se presenta cuando uno o más parámetros eléctricos, se encuentran sobre o por debajo de los valores preestablecidos.
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Como solución a las operaciones anormales de un sistema, se podría pensar en incorporar características tales en sus componentes e instalaciones asociadas, que eliminaran totalmente estas condiciones; esta solución, por principio, es imposible de practicar y aproximarse demasiado a ella resultaría en extremo costoso e injustificada, pues sus costos incidirían apreciablemente en el valor de las instalaciones, en cambio, la solución que en la practica se desarrolla, es tratar de disminuir al mínimo el efecto causado por estas condiciones anormales de operación, lo que constituye en forma permanente el análisis de alternativas de solución para cada caso singular que se presenta. Las anormalidades deben poder ser detectadas y discriminadas por las protecciones, ya que al ocurrir un defecto en un componente del sistema significa, por lo general, una anormalidad para el resto. Al aislar el equipo fallado, se elimina simultáneamente la anormalidad, con lo cual el servicio se normaliza.
1.2.0
Perturbaciones en las Redes Eléctricas
Las perturbaciones son anormalidades que no constituyen riesgo para las instalaciones, pero que pueden dañar a ciertos equipos si su amplitud o duración exceden de ciertos valores. Estas pueden ser de características transitorias o de características permanentes, aun que la clasificación dada a este fenómeno obedece fundamentalmente a la forma en como es afectada la señal que transporta la red.
1.2.1
Sobre la Amplitud de la Señal
En condición normal de operación, las redes sufren perturbaciones debidas a las variaciones de carga, pero también y sobre todo, a los fenómenos aleatorios cuyo srcen puede ser accidental o bien particular, del funcionamiento propio del equipo asociado a la red.
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1.2.1.1
Fluctuaciones de Voltaje
Son modificaciones en la amplitud de la señal de la alimentación, en términos de aumento o disminución, respecto del valor nominal de la tensión de la red de suministro. Se caracterizan fundamentalmente por su tiempo de existencia, clasificándolas en las de corta o larga duración. (V)
dv (+ ) dt ∆
dv (− ) dt
v+ v-
∆
(t)
t
t
Figura 1.1 – Fluctuaciones de voltaje
Las fluctuaciones de corta duración pueden ser instantáneas, momentáneas o temporales. Las primeras, tienen un tiempo “t” de desarrollo entre 0,01 y 0,6 segundos, con amplitudes comprendidas para el caso del aumento (∆v +), entre 107,5% y 180% de la tensión nominal, y para el caso de la disminución ( ∆v -), entre un 10% y 92,5% respecto al valor del voltaje. En las segundas, el tiempo “t” de desarrollo esta comprendido entre 0,6 y 3 segundos, con amplitudes para el caso de aumento (∆v +), entre 107,5% y 140%, y para el caso de disminución (∆v -), entre un 10% y 92,5% respecto al valor nominal de la tensión. Finalmente las terceras, tienen un tiempo “t” de desarrollo entre 3 segundos y 1 minuto, con amplitudes comprendidas para el caso del aumento ( ∆v +), entre 107,5% y 120% de la tensión nominal, y para el caso de la disminución ( ∆v -), entre un 10% y 92,5% respecto al valor del voltaje.
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Las fluctuaciones de larga duración pueden ser diferenciadas como tipo caídas o subidas de voltaje. Las primeras tienen una duración “t” mayor a 1 minuto y con magnitud (∆v -), entre un 80% y 92,5% de la tensión nominal. Las segundas tienen una duración típica “t” superior a 1 minuto y de magnitud comprendida (∆v +), entre 107,5% y 120%.
1.2.1.2
Interrupciones de Voltaje
Se consideran como interrupciones de voltaje, a las disminuciones de tensión de magnitud típica bajo el 10% hasta incluso el 0% del valor nominal. (V) ∆
v = <10%
v = 0%
∆
(t)
t
t
Figura 1.2 – Interrupciones de voltaje
Las interrupciones de clasifican, conforme al tiempo y la magnitud, en momentáneas, temporales y sostenidas. En las momentáneas, el tiempo “t” se considera entre 0,01 y 3 segundos y un “∆v” mayor que cero pero inferior al 10% de la tensión nominal. Las segundas son aquellas que tienen un tiempo “t” entre 3 segundos y 1 minuto, y el mismo “∆v” anterior. Las terceras son todas aquellas que perduran por más de 1 minuto y poseen una magnitud nula.
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1.2.1.3
Impulso de Voltaje
Es una perturbación de tensión esporádica y de valor elevado que tienen lugar entre los conductores activos de alimentación. Descartando los impulso accidentales, estos se deben sobre todo, a maniobras en la red de distribución de tensión media y a las descargas atmosféricas. Los impulsos productos de maniobras en la red de media tensión, tienen srcen principalmente en la conexión de bancos de condensadores sin la debida planificación en términos del momento adecuado de mínimo riesgo. Al conectarlos, la tensión puede alcanzar un valor promedio de dos veces la tensión nominal del sistema. Figura 1.3 – Impulso de tensión
Otra causa que srcina impulsos debidos a maniobras, es la desconexión de algún transformador con carga conectada a la red de media tensión. En esta situación, la tensión puede alcanzar un valor máximo aproximado de tres veces el valor nominal de la red, cifra que depende fundamentalmente de la corriente Figura 1.4 – Impulso de tensión
despejada por el dispositivo de protección por el lado primario (MT), de la máquina.
Las descargas atmosféricas sobre las redes de alimentación, constituyen otro motivo de la producción de impulsos eléctricos. Es evidente que este fenómeno de la naturaleza es esporádico, y su probabilidad de ocurrencia depende del nivel ceráunico de la región en donde se esté trabajando.
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La actividad o nivel ceráunico se define como el número de días del año en que se presenta una descarga atmosférica en una región determinada. Para el caso de Chile, se considera en general un valor igual a 5, es decir de baja exposición. Para tener una idea la figura 1.5 indica el número y el valor de las sobretensiones que se pueden alcanzar a lo largo de un año según el índice de ocurrencia del fenómeno. Se trata de valores estadísticos y se está siempre a merced de una descarga Figura 1.5 – Estadística de sobretensiones
directa de rayo de valor muy superior.
Las sobretensiones debidas a los impulsos en la red de media tensión, pueden transmitirse directamente a la red de baja. En un transformador MT/BT, en vacío o poco cargado, las sobretensiones de rayo o de maniobra se transmiten al secundario en función de la relación de transformación, afectada por un coeficiente de corrección. Este coeficiente es en general inferior a 1,3 para la onda de impulso de tensión recurrente de 1,2/50 (µseg), que simula el tipo de onda srcinada por un rayo (figura 1.6-a), mientras que para las sobretensiones de maniobra según la onda larga amortiguada de 0,25/2,5 (mseg), que simula el tipo de onda srcinada por una maniobra (figura 1.6-b), el factor casi nunca sobrepasa 1,8.
(a) ondade impulsode tensiónpor rayo
(b) ondade impulsode tensiónpor maniobra
Figura 1.6 – Formas de ondas de impulso de tensión normalizadas según IEC 60060
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El valor máximo del impulso transferido al secundario de un transformador MT/BT en conexión ∆Y1 sólidamente aterrizado, debido a una maniobra o descarga atmosférica en el primario, se determina por la siguiente expresión:
ITBT
=
IMT ×
UBT × FCI UMT
Donde: ITBT : Impulso transferido al lado de baja tensión (kV) IMT
: Impulso en lado de media tensión (kV)
UBT : Tensión de línea lado de baja tensión (kV) UMT : Tensión de línea lado de media tensión (kV) FCI
1.2.1.4
: Factor de corrección para impulso
Transitorio de Corriente
Esta perturbación, es un impulso de corriente debido al arranque o conexión de cargas fundamentalmente de características inductivas. corriente máxima transitoria
(i)
i
∆
corriente máxima nominal
momento de encendido
(t)
Figura 1.7 – Transitorio de corriente
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Esta perturbación se presenta principalmente en motores, lámparas de descarga y equipos computacionales y sus efectos se pueden reflejar principalmente en la pérdida de la continuidad del servicio por el disparo de un dispositivo de protección mal seleccionado. El valor del transitorio de encendido y su duración dependen principalmente del tipo de carga que sé este analizando, por ejemplo, un computador tiene un valor promedio de 6 veces la intensidad nominal durante un tiempo menor a 10 milésimas de segundos mientras que un motor puede tener una cifra cercana a las 10 veces la nominal con tiempos de arranque similares. En este último caso también se debe considerar la corriente de aceleración.
1.2.2
Sobre la Onda Senoidal
Las tensiones observadas en las redes no son nunca perfectamente sinusoidales, debido a la presencia en ellas de equipos que por sus características de operación o calidad de fabricación, inyectan señales que distorsionan a la fundamental. Por ejemplo algunos de estos equipos son los generadores eléctricos de baja calidad, transformadores operando en su límite de carga, equipos con características no lineales y actualmente la presencia de corrientes portadoras.
1.2.2.1
Ruido
El ruido eléctrico es una alteración permanente de la señal de alimentación, debajo valor, que se presentan en los conductores de alimentación del sistema, pero que dependiendo del esquema de neutro de la red (especialmente en el esquema TN), pueden inducirse en el conductor de tierra afectado a las comunicaciones entre computadores cuando estos no están conectados a una puesta a tierra de protección independiente.
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Los ruidos eléctricos suelen producirse, por ejemplo, por el funcionamiento de convertidores y rectificadores alternos y en aquellos equipos que producen arcos eléctricos, tales como colectores de escobillas. v
Figura 1.8 – Ruido eléctrico
1.2.2.2
Parpadeo
Cuando una variación rápida de la tensión se produce de forma repetitiva, ocasiona en las lámparas de iluminación un parpadeo visible y molesto, por extensión, se llama también parpadeo a dicha perturbación de tensión que la srcina. Este parpadeo o también llamado voltaje flicker, se refiere a cambios en la envolvente de la frecuencia de alimentación, la que para nuestro caso es de 50 Hz. El voltaje de la envolvente es llamado nivel instantáneo de flicker (LFI). (v)
(t)
Figura 1.9 – Parpadeo de voltaje
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En Chile, el índice de severidad de parpadeo o "flicker" durante un período de registro de mediciones de una semana cualquiera del año, o de siete días consecutivos, no debe exceder en el sistema eléctrico, el valor de 1 para tensiones iguales o inferiores a 110 (kV), ni exceder 0,8 para tensiones superiores a 110 (kV). Si este índice es evaluado estadísticamente en intervalos consecutivos de dos horas durante un período de registro de mediciones de una semana cualquiera del año o de siete días consecutivos, no debe exceder de 0,8 para tensiones iguales o inferiores a 110 (kV) ni exceder 0,6 para tensiones superiores a 110 (kV).
1.2.2.3
Armónicos
Un armónico determinado, es una perturbación superpuesta a la onda fundamental que también es una onda sinusoidal, pero de distinta frecuencia de pulsación y con valores de amplitud menores a esta. El efecto combinado es una onda periódica no sinusoidal denominada distorsión armónica. señal u f ndam ental f=50 Hz 2° armónico f=100 Hz
0
Figura 1.10 – Forma de onda no sinusoidal distorsionada
t (seg)
por un 2° armónico
Existen dos tipos de fuentes que dan srcen a los armónicos: las de tensión y las de corriente. Las primeras se encuentran en el área de responsabilidad de la Compañía Eléctrica, debido principalmente a la saturación del núcleo de transformadores de distribución. En cambio, las fuentes de corriente las encontramos en las redes de los clientes debido a las cargas con características no lineales que estos poseen. Página 18 de 141
Una carga no lineal absorbe corriente en impulsos bruscos en lugar de hacerlo con suavidad como en el caso de las cargas lineales. Dichos impulsos crean una onda de corriente distorsionada que contiene armónicos.
señal de alimentación sinusoidal (tensión)
señal de alimentación sinusoidal (tensión)
señal de la carga sinusoidal (corriente)
0
t (seg)
señal dela cargano sinusoidal (corriente)
0
t (seg)
carga lineal
carga no lineal
Figura 1.11 – Forma de onda de corriente
Cada armónico tiene un nombre característico, una frecuencia que lo señal y una secuencia de giro. En los sistemas de distribución de corriente alterna, las formas de onda de la parte positiva y negativa de la corriente y la tensión, son casi iguales, por lo tanto, no hay ninguna componente de corriente continua. En estas condiciones, no se generan armónicos de número par. Los restantes armónicos se producen en tres secuencias de giro según el efecto de la rotación de su fasor de corriente. Cuanto mayor es la frecuencia, más rápida es la rotación del campo magnético.
Armónicos característicos de los sistemas de distribución Nombre Frecuencia Secuencia
1° 50 +
3° 150 0
5° 250 -
7° 350 +
9° 450 0
11° 550 -
13° 650 +
15° 17° 750 850 0 -
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La rotación de los armónicos de secuencia positiva, incluida la frecuencia fundamental, es en el sentido de las agujas del reloj. Mientras que el campo magnético producido por los armónicos de secuencia negativa, giran en el sentido opuesto de las manecillas del reloj. Los armónicos de secuencia cero denominados “triplens”, en lugar de girar, se suman linealmente en el conductor neutro de los alimentadores y subalimentadores trifásicos de cuatro hilos. Vb
Va
Vc 120°
(+)
(0)
120° 120°
120° 120°
(-)
120°
Vc
Va Va
Vb Vc
Vb
Figura 1.12 – Secuencias de giro de fasores
1.3.0
Fallas en las Redes Eléctricas
A diferencia de las perturbaciones, las fallas son anormalidades de los sistemas eléctricos que impiden continuar la operación de uno o más componentes de las instalaciones, y requieren la rápida acción de los esquemas de protecciones para no dañar a los equipos. Entre las fallas, las más comunes son las sobrecargas, los cortocircuitos, las asimetrías y los defectos de aislación.
1.3.1
Sobrecargas
La falla de sobrecarga esta directamente relacionada con un aumento de la potencia que se le exige a un punto, por sobre el máximo valor que este, está capacitado para entregar. Se manifiesta en la instalación mediante un aumento de la corriente, por lo que podríamos decir que una línea o equipo se encuentra sobrecargado, cuando su corriente es superior a la nominal debido a una sobre exigencia de potencia.
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Los factores que producen las sobrecargas son múltiples, pero fundamentalmente esta falla obedece a un mal estudio de necesidad de potencia para una instalación en particular, o la modificación (en términos de aumento), de la capacidad conectada al sistema sin verificar si este estaba capacitada para alimentar los nuevos consumos.
1.3.2
Cortocircuitos
Un cortocircuito es la desaparición intempestiva de la aislación relativa de dos conductores de tensión diferente, alimentados de la misma fuente, sin la interposición de una impedancia conveniente. Las causas que srcinan los cortocircuitos son múltiples. En la distribución en baja tensión, se deben con mayor frecuencia al deterioro mecánico de la aislación. En líneas subterráneas se deben principalmente a la ruptura de la aislación causada por movimientos del terreno, golpes de picota, infiltración de humedad, etc. En cuanto a su duración, se pueden distinguir cortocircuitos permanentes y transitorios. A estos últimos, cuando se repiten en cortos intervalos, se les llama intermitentes; es el caso, por ejemplo, de los srcinados por el balanceo de los conductores. Dependiendo de la capacidad de generación, distancia e impedancia entre la fuente y el tipo de cortocircuito, las sobrecorrientes pueden alcanzar una magnitud varias veces superior a la corriente nominal de los equipos. Las consecuencias de estas sobrecorrientes son múltiples, tales como: calor del arco o calor producido por el contacto en el cortocircuito, que pueden fundir los conductores, carbonizar los aislantes u srcinar un incendio. Al respecto no conviene despreciar el calentamiento producido por la corriente de cortocircuito, que concentra su efecto en los puntos más débiles: uniones de conductores, contactos de disyuntores, etc.
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Tampoco de debe despreciar los efectos electrodinámicos de las corrientes de cortocircuito. En estas condiciones los enrollados de los transformadores prácticamente son sacudidos y pueden producir deformaciones en sus bobinas. Otros efectos srcinados por esto mismo son: deformaciones de barras y conductores, que deben ser consideradas en los proyectos.
1.3.3
Asimetrías
La forma usual de la red es generalmente el sistema de corriente trifásica con 380 (V), el cual está constituido de tres tensiones alternas, desplazadas temporalmente por 120° eléctricos. Las tensiones son representadas en un diagrama fasorial y dan por resultado un triángulo equilátero. Esta manera de representación, es generalmente la usual, en la electrotecnia para visualizar las sinusoides de manera fácil y clara.
U L1 – L2
U L2 – L3 120° 120° 120° U L3 – L1
Figura 1.13 – Representación fasorial de un sistema de tensiones trifásicas
Bajo operación normal, todas las amplitudes de las tensiones en el sistema de corriente trifásica son iguales y se muestran en forma de un ángulo de separación de 120 grados. En el caso de una discrepancia de esta forma se habla de una asimetría. Normalmente un sistema trifásico puede presentar la condición de asimetría cuando un motor trifásico en delta pierde una de sus fases de alimentación, o bien, en un sistema trifásico en estrella, se corta la unión entre el punto estrella del transformador de alimentación y la tierra (tierra de servicio), en una red desequilibrada. Página 22 de 141
U L1 – L2
U L2 – L3
N U L3 – L1
Figura 1.14 – Representación fasorial de un sistema asimétrico
Las consecuencias de la asimetría de un sistema pueden ser en, el caso de la pérdida de una fase de alimentación a un motor trifásico, un aumento de la corriente al motor y el consiguiente daño de este, y en el caso del levantamiento del neutro, una elevación de la tensión en las cargas monofásicas.
1.3.4
Falta de Aislación
El defecto o falta de aislación, se produce fundamentalmente en el equipamiento eléctrico con carcaza metálica integrante de la red interior. Esta falla es debida normalmente por una falta de adecuada mantención de estos equipos, lo que se traduce en una unión casi directa de la fase que alimenta al equipo y su carcaza. Los efectos que puede ocasionar una falla de aislación son en general, el compromiso de la integridad de los usuarios de las instalaciones eléctricas, debido a que pueden tocar el equipo fallado, provocando el denominado contacto indirecto. Las características de las fallas de aislación y el efecto sobre las personas, será analizado en el capítulo de los dispositivos diferenciales residuales.
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CAPÍTULO II CÁLCULO DE CORTOCIRCUITOS EN REDES DE BAJA TENSIÓN
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2.1.0
El Cortocircuito
Un cortocircuito es la elevación instantánea de la corriente nominal del sistema debido a la pérdida o disminución brusca de la impedancia característica de la red. Sus causas son múltiples, siendo la más común la unión de conductores de potencial diferente. a impedancia de la red de alimentación Z fuente de alimentación
impedancia de las cargas ZC
E
∼ I b
Figura 2.1 – Circuito equivalente de una instalación eléctrica
Bajo condiciones normales de funcionamiento, la corriente “I” (figura 2.1), estaría limitada por la suma de la impedancia de la red de alimentación y de la carga. I=
E Z + ZC
Si unimos los puntos “a” y “b” mostrados en la figura 2.1, provocando la falla de cortocircuito, la longitud del sistema equivalente se reduce fuertemente, y por lo tanto también su impedancia. a impedancia de la red de alimentación Z fuente de alimentación
impedancia de las cargas ZC
E
∼ I b
Figura 2.2 – Circuito equivalente de una instalación en cortocircuito
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Según se muestra en la figura 2.2, bajo condición de falla de cortocircuito, la corriente quedaría solamente limitada por la impedancia de la red de alimentación, la que por cierto, es bastante baja. I=
E Z
En función de la potencia del sistema, la distancia existente respecto al punto de falla y las características particulares del cortocircuito, la amplitud de la sobrecorriente puede alcanzar una magnitud varias veces superior a la corriente nominal de los equipos. (i)
I=
E Z + ZC
corriente en estado normal (figura 2.1)
I=
E Z
corriente en estado de cortocircuito (figura 2.2)
(t) Figura 2.3 – Corriente de cortocircuito
Las consecuencias de los cortocircuitos son múltiples, van desde efectos térmicos que dañan los aislantes, hasta efectos electrodinámicos que provocan deformaciones y corte de los elementos conductores involucrados en la falla.
2.2.0
Amplitud de la Corriente de Cortocircuito
Poder determinar la amplitud con la que una falla de cortocircuito se presentará en una instalación, es de suma importancia para la selección de los elementos pertenecientes a una red de suministro. La amplitud de la corriente de cortocircuito depende fundamentalmente del momento en que la falla ocurra, de la duración, de la ubicación y la topología.
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2.2.1
Momento de Ocurrencia
Dependiendo del momento en que se presenta la falla de cortocircuito, la corriente resultante puede adquirir dos amplitudes características, simétrica o asimétrica. La corriente de cortocircuito resultante puede alcanzar una magnitud simétrica (semiciclos positivos y negativos de igual amplitud), si la falla ocurre en el instante en que la tensión de alimentación está pasando por su valor máximo.
Según la Figura 2.4, la amplitud máxima (Im), de esta corriente es equivalente a raíz de dos veces el valor rms (Irms). Normalmente los métodos de cálculo de corriente de cortocircuito entregan como solución
a
sus
ecuaciones,
corrientes simétricas de valores rms, las que en general son de menor
amplitud
(incluso
al
convertirlas en valores máximos), Figura 2.4 – Cortocircuito simétrico
que las corrientes del tipo asimétricas. Estas corrientes se les llama de esta forma debido a que
las
amplitudes
de
sus
semiciclos positivos y negativos son de distinto valor, es decir, la semionda alterna característica no es simétrica respecto al eje de coordenadas. Figura 2.5 – Cortocircuito asimétrico
Este
tipo
de
corrientes se presentan cuando
la falla ocurre en el instante en que la tensión de alimentación del sistema, está pasando por su valor cero.
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Como es imposible saber con certeza el momento en que la falla de cortocircuito se presentará en una instalación interior, los sistemas involucrados en el camino del cortocircuito se deberán dimensionar de modo que sean capaces de soportar el valor asimétrico (peor condición). Tal como se menciono anteriormente, los métodos de cálculo entregan valores simétricos, pero dentro del dimensionamiento del sistema deberemos trabajar con el valor asimétrico. Para convertir una corriente de cortocircuito simétrica en asimétrica, vasta con multiplicar la primera con un factor de asimetría, el que está directamente relacionado con la componente continua (Idc), que aparece en la Figura 2.5.
2.2.2
Duración
En función de la duración de la falla (tiempo de existencia sin despeje por los órganos de protección), la corriente de cortocircuito puede presentar tres valores característicos, subtransiente, transiente y permanente.
Figura 2.6 – Valores característicos de la corriente de cortocircuito
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El estado subtransiente tiene una duración de no más de 0,1 segundos, el transiente entre 0,1 y 0,3 segundos y el estacionario se alcanza luego de transcurridos más de 0,3 segundos desde el inicio de la falla. Tal como lo señala la Figura 2.6, una corriente de cortocircuito asimétrica, puede convertirse en simétrica, solo cuando la falla alcanza su estado permanente. Lamentablemente si el defecto permanece el tiempo necesario para alcanzar el estado simétrico, la instalación eléctrica se destruiría en prácticamente su totalidad. Resulta claro pensar que la falla de cortocircuito es extremadamente destructiva, luego se debe eliminar en el menor tiempo posible. En general, los dispositivos de protección contra corrientes de cortocircuito, están diseñados para abrir el circuito en un tiempo no superior a 10 ms (0,01 segundos), luego dentro del estudio de cortocircuito para determinar la capacidad de ruptura de los dispositivos, se deberá tomar el estado subtransiente de la corriente de defecto.
2.2.3
Ubicación
La amplitud de la corriente de cortocircuito desde el punto de vista del cálculo, esta dada en función de la ley de ohm, es decir, que la corriente es inversamente proporcional a la impedancia. La impedancia de cortocircuito mayoritariamente esta dada por la impedancia de los conductores que se verían involucrados en el camino de circulación de la corriente, luego entre más cerca del transformador de alimentación se produzca el defecto, la impedancia de cortocircuito tendrá un valor menor que si la falla ocurriese en el punto más alejado de la fuente. En otras palabras, si la falla ocurre en las proximidades del transformador, la corriente de cortocircuito tendrá una amplitud mayor que si esta ocurriese en el punto más alejado.
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Figura 2.7 – Amplitud del cortocircuito según la ubicación
2.2.4
Topología
La topología de la falla nos indica la forma de considerar la o las fuentes y, particularmente, que conductores se deben contemplar. También el estudio de la forma física de la falla, puede que nos indique la necesidad de incluir las puestas a tierra de la instalación.
Figura 2.8 – Amplitud del cortocircuito según la topología
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El cortocircuito trifásico, considera la unión directa y simultánea de las tres fases de alimentación del sistema. Solo limitan la amplitud de la corriente de cortocircuito la impedancia equivalente de la fuente y de los conductores, independiente del sistema o esquema de neutro que posea la instalación.
El cortocircuito bifásico, considera la unión directa y simultánea de las dos fases de alimentación del sistema. Su comportamiento es similar a la falla trifásica pero considera el doble de la impedancia.
El cortocircuito monofásico a neutro, considera la unión directa y simultánea de una de las fases de alimentación con el neutro del sistema.
El cortocircuito monofásico a conductor de protección, considera la unión directa y simultánea de una de las fases de alimentación, con el conductor de protección o cable de tierra de la instalación.
2.3.0 Componentes del Cortocircuito Al presentarse un cortocircuito en una instalación interior, la falla queda gobernada en general por: el sistema eléctrico (representado por un generador equivalente), unidades generadoras, motores asociados a la red y las líneas participantes. sistema
generadores
S
G
∼
∼ líneas
motores
M
∼ líneas
líneas
líneas
I CC
Figura 2.9 – Elementos que intervienen en el cortocircuito
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Como es sabido, en nuestro medio existen dos grandes tipos de instalaciones eléctricas interiores, las de alta tensión (conectadas a redes de más de 400 volts), y las de baja tensión (conectadas a redes de menos de 400 volts). AAT
S
DAT
red AT T/D
∼
ABT
T/P
red BT
G
M
G
M
∼
∼
∼
∼
cliente de alta tensión
cliente de alta tensión AAT DAT ABT T/P T/D
: Arranque de alta tensión : Derivación de alta tensión : Arranque de baja tensión : Transformador particular : Transformador de distribución
Figura 2.10 – Esquema equivalente del elemento fuente
Como sistema equivalente, se considera todo lo que exista aguas arriba del transformador de alimentación, según esto, si analizamos los esquemas de la figura cliente de AT
cliente de BT
S
S
∼
∼ impedancia del sistema ZS AAT T/P
2.11,
desde
equivalente
el
generador
hasta
los
trasformadores, podemos darnos impedancia del sistema ZS DAT
cuenta que tanto el cliente de alta como el de baja tensión (en este caso se considera el empalme conectado directamente al T/D), son
T/D
similares impedancia del transformador
impedancia del transformador
ZT
ZT ABT
Figura 2.11 – Impedancias características del sistema
en
impedancias
términos que
de
las
intervienen,
situación que representamos en la figura 2.11.
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Al conjunto “sistema equivalente – transformador” mostrado en la figura 2.11, le llamaremos fuente primaria, la que para efecto de análisis posteriores debemos representar en la forma R+jX, tal como lo muestra la figura 2.12. cliente de AT
cliente BT
S
S
∼
∼ resistencia del sistema RS
resistencia del sistema RS
reactancia del sistema XS AAT
reactancia del sistema XS DAT
T/P
T/D
resistencia del transformador RT
resistencia del transformador RT
reactancia del transformador XT
reactancia del transformador XT ABT
Figura 2.12 – Circuito equivalente fuente primaria
La resistencia y reactancia del sistema referidas al lado de baja tensión, se determinan por medio de las siguientes expresiones: RS =
0,0995 × E 2 Scc
XS =
0,995 × E 2 Scc
Donde: RS : Resistencia del sistema (Ω) XS : Reactancia del sistema (Ω) E : Tensión de línea en vacío por el lado de baja tensión (V) Scc : Potencia de cortocircuito del sistema (VA) Página 33 de 141
La resistencia y la reactancia del transformador, ya sea este particular o de distribución, se determinan por medio de la siguientes expresiones:
E ST
2
RT = W ×
2
Z% E 2 XT = 100 × ST − RT 2 Donde: RT : Resistencia del transformador (Ω) XT : Reactancia del transformador (Ω) E
: Tensión de línea en vacío por el lado de baja tensión (V)
ST : Potencia del transformador (VA) W
: Pérdida en el cobre del transformador (W)
Z% : Impedancia porcentual de cortocircuito (%) En la siguiente tabla se entregan con un margen de error aceptable, valores de “W” y “Z%” para transformadores trifásicos clase 15 y 25 kV.
Pérdida en el cobre e impedancia porcentual de trasformadores trifásicos Potencia (kVA) 100 150 200 250 300 400 500
Pérdida en el cobre (W) 1680 2390 3400 4000 4200 5000 5950
Impedancia porcentual (%) 4 4 4 4 4 4 5
750 1000 1250
9500 10800 13500
5,75 5,75 5,75
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cliente de AT y BT
Según lo indicado en la figura 2.9, el otro elemento que aporta al cortocircuito es
la
existencia
de
G
G
∼
∼
unidades
generadoras, las que evidentemente
impedancia del generador ZG
poseen una impedancia característica. También debe considerarse que el generador se conecta a la instalación por medio de un conductor llamado normalmente
alimentador
impedancia del alimentador de emergencia ZAE
de
emergencia, el que contribuye a limitar la corriente de cortocircuito.
cliente de AT y BT
resistencia del generador RG reactancia del generador XG resistencia del alimentador de emergencia RAE reactancia del alimentador de emergencia XAE
Figura 2.13 – Impedancias características fuente secundaria
Si asumimos que la instalación está siendo alimentada por una unidad generadora, y bajo esta condición se presenta un cortocircuito, la máquina tiene un comportamiento prácticamente inductivo durante los primeros ciclos de la falla, por lo que la impedancia del generador es aproximadamente igual a la reactancia y por lo tanto su resistencia es igual a cero. ZG ≈ XG ⇒ RG ≈ 0 E 2 Xd × XG = SG 100 Donde: ZG : Impedancia del generador (Ω) XG : Reactancia del generador (Ω) RG : Resistencia del generador (Ω) E
: Tensión de línea en vacío de la máquina (V)
SG : Potencia del generador (VA) Xd : Reactancia transitoria del generador (%)
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Para el caso del alimentador de emergencia, su resistencia y reactancia se determinan con el uso de las siguientes expresiones: RAE =
XAE =
ρ × LC NCP × SC 0,00012 × LC NCP
Donde:
RAE : Resistencia del alimentador de emergencia ( Ω) XAE : Reactancia del alimentador de emergencia (m Ω)
ρ
: Resistividad del material ( Ωxmm2/m)
LC : Longitud del conductor (m) NCP : Número de conductores paralelos del mismo potencial SC : Sección del conductor (mm2) El último elemento que se considera como aporte al cortocircuito según lo indicado en la figura 2.9, son los motores presentes en la red, a los que consideraremos como la fuente terciaria. Su impedancia y forma R+jX se muestran en la figura 2.14. cliente de AT y BT
cliente de AT y BT
M
M
∼
∼
impedancia del motor ZM
resistencia del motor RM reactancia del motor XM
Figura 2.14 – Impedancias características fuente terciaria
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Para efectos de simplificación de los estudios, el método de cálculo considera la existencia de una máquina trifásica equivalente del total de los motores presentes en la red (sean estos monofásicos o trifásicos), que esta se conecta directamente a la barra general, y también, que posee un comportamiento prácticamente igual a los generadores al inicio del cortocircuito. Según esto, las expresiones asociadas serían las siguientes: ZM ≈ XM ⇒ RM ≈0 0,06 × E 2 XM = n SMi
∑ i =1
Donde: ZM : Impedancia del motor (Ω) XM : Reactancia del motor (Ω) RM : Resistencia del motor (Ω) E
: Tensión de línea del motor (V)
SM : Potencia de los motores presentes (VA)
Para los conductores, llámense estos alimentadores o subalimentadores, su resistencia y reactancia se determinan con el uso de las siguientes expresiones: RC =
ρ × LC NCP × SC
XC =
0,00012 × LC NCP
Donde: RC : Resistencia del conductor (Ω) XC : Reactancia del conductor (Ω)
ρ
: Resistividad del material ( Ωxmm2/m)
LC : Longitud del conductor (m) NCP : Número de conductores paralelos del mismo potencial SC : Sección del conductor (mm2) Página 37 de 141
2.4.0
Cálculo de la Amplitud del Cortocircuito
Tal como se indicó al inicio de este capítulo, un cortocircuito puede presentar dos amplitudes diferentes conforme el momento de ocurrencia de la falla, también se relacionó esta con la duración, el lugar de ocurrencia y la topología de la red. En general, los cortocircuitos pueden evaluarse en régimen permanente y simétricos, independiente del lugar de ocurrencia y las condiciones particulares de la red. En síntesis, el modelo de cálculo recomendado para la determinación de los diferentes niveles de corriente de cortocircuitos a presentarse en una red de baja tensión, es calcular la amplitud simétrica de la falla y luego transformarla en su equivalente asimétrica.
2.4.1
Simétrica
El valor simétrico de la corriente de cortocircuito, se determina mediante el uso de la ley de Ohm para señales alternas, pero considerando su amplitud o valor máximo, es decir: Iccs = Donde:
2 ×E k × Zcc
Iccs : Corriente de cortocircuito simétrica (kA) E
: Tensión de línea en vacío por el lado de baja tensión (V)
k
: Factor por topología
Zcc : Impedancia de cortocircuito (mΩ) El factor por topología “k”, depende si la falla es trifásica, bifásica o monofásica (a conductor de neutro o de protección. Es decir: k = 3 caso trifásico k = 2 caso bifásico k = 1 caso monofásico
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La impedancia de cortocircuito depende del total de las resistencias y las reactancias que existan desde la fuente hasta el punto de falla considerado. Según esto, su expresión general es:
Zcc =
n
∑ a =1
2
Ra +
n
∑ a =1
2
Xa
Donde: Ra : Resistencia desde la fuente hasta el punto de falla (mΩ) Xa : Reactancia desde la fuente hasta el punto de falla (mΩ) Los elementos a considerar para el cálculo de la impedancia de cortocircuito dependen particularmente del tipo de cortocircuito y el sistema de neutro de la red: -
Para el caso de una falla trifásica , en esquema TT y TNS, se considera la resistencia y reactancia de la fuente y de la línea de fase.
-
Para el caso de una falla trifásica , en esquema TT y TNS, se considera la resistencia y reactancia de la fuente y de la línea de fase.
-
Para el caso de una falla monofásica a neutro, en esquema TT y TNS, se considera la resistencia y reactancia de la fuente, de la línea de fase y de la línea de neutro.
-
Para el caso de una falla monofásica a conductor de protección , en esquema TT, se considera la resistencia y reactancia de la fuente, de la línea de fase, de la línea de neutro y las resistencias de las puestas a tierra (protección y servicio). En el caso del esquema TNS, se utilizan las variables de la fuente, de la línea de fase y del conductor de protección.
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2.4.2
Asimétrica
La amplitud asimétrica de la corriente de falla depende del factor de potencia de cortocircuito que exista en el punto en donde se desea conocer la amplitud del cortocircuito. n
∑R
i
i =1
cos ϕ cc =
n
∑ i =1
2
Ri +
n
∑ i =1
2
Xi
Donde: cosϕCC : Factor de potencia en el punto de falla Ri
: Resistencia desde la fuente hasta el punto de falla (m Ω)
Xi
: Reactancia desde la fuente hasta el punto de falla (m Ω)
Conocido el factor de potencia de cortocircuito el paso siguiente es determinar el factor de asimetría por medio de la siguiente gráfica:
Figura 2.15 – Factor de asimetría
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El factor de asimetría (fa), que se obtiene de la gráfica anterior, se multiplica con la corriente de cortocircuito simétrica, y se obtiene por lo tanto, su valor asimétrico. ICCA = fa × ICCS Donde: ICCA : Corriente de cortocircuito asimétrica (kA) fa : Factor de asimetría ICCS : Corriente de cortocircuito simétrica (kA)
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CAPÍTULO III PROTECCIÓN DE LAS INSTALACIONES
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3.1.0
Exigencias para la Protección de las Instalaciones
En general, la exigencia fundamental que se les da a los dispositivos de protección eléctrica contra las fallas en las instalaciones, es que cuando estas se presenten sean eliminadas en el menor tiempo posible. Dependiendo del tipo de instalación eléctrica a proteger, la normativa nacional exige ciertas condiciones a los dispositivos de protección a utilizar en ellas, las que revisaremos a continuación.
3.1.1
Para Instalaciones de Alumbrado
De acuerdo a la NCH 4/84, se considerará instalación de alumbrado a toda aquella en que la energía eléctrica se utilice preferentemente para iluminar el o los recintos considerados, sin perjuicio que a la vez se le utilice para accionar artefactos electrodomésticos o máquinas pequeñas similares conectados a través de enchufes. En general, estas instalaciones deben protegerse contra la sobrecarga y el cortocircuito con un único dispositivo que agrupe las dos funciones. Una de las exigencias dadas para este tipo de instalaciones se relaciona con la carga máxima asociada a los circuitos, los que pueden ser desde 6 hasta 25 (A), pudiendo utilizarse de mayor capacidad en casos justificados. La cantidad de centros que es posible instalar en un circuito se determina igualando la suma de las potencias unitarias (PU), de cada centro conectado a él, con el 90% del valor nominal de la capacidad del circuito (IN). n
∑P
U
= 0,9 × IN
U=1
La expresión anterior debemos trasformarla en una ecuación que permita trabajar con unidades iguales.
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Si consideramos que en la etapa de proyecto se establecen las potencias de los circuitos y luego la capacidad nominal de su elemento de protección, la expresión anterior tendría como variable independiente la potencia y como dependiente la corriente, es decir: n
∑P
U
IN =
U =1
0,9 La potencia unitaria debe representarse en términos de la corriente, la que según la ley de Ohm para señales alternas es: I=
P V × FP
Trabajando las dos expresiones anteriores, podemos decir que la capacidad nominal del dispositivo de protección de un circuito de alumbrado en general, se determina por medio del uso de las siguientes ecuaciones: n
IN =
∑
n
PU
∑P
U
U=1
IN =
0,9 × VF × FP
U=1
0,9 × 3 × VL × FP
MONOFÁSICA
TRIFÁSICA
Donde: IN
: Capacidad nominal del dispositivo de protección (A)
PU
: Potencia unitaria de cada centro conectado (W)
VF
: Tensión de fase del sistema (V)
VL
: Tensión de línea del sistema (V)
FP
: Factor de potencia
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La potencia unitaria de un artefacto de iluminación (incluido sus accesorios), depende del tipo y características del mismo. En el caso de que esta potencia no se conozca o no se encuentre definida, la NCH 4/84 indica que se deberá considerar una potencia por centro de 100 (W), valor similar a utilizar en el caso de los enchufes de hasta tres salidas.
3.1.2
Para Instalaciones de Fuerza
Se considera instalación de fuerza a toda aquella instalación en que la energía eléctrica se usa preferentemente para obtener energía mecánica y/o para intervenir en algún proceso productivo industrial. Estas se deberán proteger frente a la sobrecarga y al cortocircuito con dispositivos independientes, o combinados, que respondan a las condiciones particulares. Para la protección contra la sobrecarga en general, la capacidad nominal o corriente de ajuste del dispositivo de protección, deberá ser como máximo un 25% más grande que la corriente del motor, si este tiene un factor de servicio mayor o igual a 1,15, y un 15% mayor para el caso de motores con factor de servicio inferior a 1,15.
IN =
k × PM VF × FP × η
IN = MONOFÁSICA
k × PM 3 × VL × FP × η
TRIFÁSICA
Donde: IN
: Capacidad nominal del dispositivo de protección (A)
PM
: Potencia nominal del motor (W)
VF
: Tensión de fase del sistema (V)
VL
: Tensión de línea del sistema (V)
FP η
: Factor de potencia : Rendimiento del motor
k
: 1,25 para fs ≥1,15 y 1,15 para fs <1,15 Página 45 de 141
En el caso de la protección contra el cortocircuito, esta debe ser capaz o estar ajustada a un valor tal, que no opere frente al transitorio de encendido del motor. La capacidad nominal de las protecciones de cortocircuito de un motor estará comprendida entre 1,5 y 3 veces la corriente nominal del motor protegido, de acuerdo al tipo de motor y al sistema de partida empleado. En condiciones de partida muy severas esta capacidad podrá elevarse a 4 veces la corriente nominal.
3.1.3
Para Instalaciones de Computación
A la fecha, no existe en Chile una norma eléctrica que defina y regule las instalaciones utilizadas para la alimentación de equipo computacional. En general, al igual que todas las instalaciones, las de computación deberán protegerse frente a las fallas de sobrecarga y de cortocircuitos, con dispositivos que agrupen estas dos funciones. Mientras no exista una reglamentación puntual, se recomienda utilizar las exigencias para instalaciones de alumbrado en términos de la capacidad nominal de los dispositivos de protección de circuitos, tendiendo un especial cuidado en el establecimiento del factor de potencia del equipo debido a la existencia de corrientes armónicas.
3.2.0
Interruptores Automáticos
Los interruptores automáticos o también llamados interruptores termomagnéticos, son dispositivos que aseguran la protección de los conductores que alimentan los circuitos terminales contra sobrecargas y cortocircuitos, además de servir igualmente como seccionamiento.
aparatos
de
comando
y
Caja Moldeada
Modular
Figura 3.1 – Tipos de automáticos
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3.2.1
Protecciones Modulares
Las protecciones modulares o de pequeña envergadura, son las de uso tradicional en sectores domiciliarios, terciarios y ciertas aplicaciones industriales. Como característica principal se puede destacar que éstas protecciones son de características de intervención fijas, es decir, vienen reguladas de fábrica y por lo tanto, el usuario no puede modificar sus parámetros de trabajo. Disparador magnético (cortocircuito)
Porta etiqueta
Cámara de Corte
Contactos internos Disparador térmico (sobrecarga)
Figura 3.2 – Características constructivas protecciones modulares
Contactos
internos
(fi jo y móvil) . Sobre ellos acciona el dispositivo de operación,
así como también los elementos de desconexión automática. Los contactos se fabrican en plata, debido a que este metal ofrece una elevada seguridad contra su soldadura, a la vez que garantiza una larga duración de sus maniobras en servicio normal. Dis p arad or té rm ic o.
Constituido por un bimetal que se dilata debido a la
temperatura generada por efecto Joule, al paso de una sobrecorriente. Esta dilatación produce la apertura del circuito pues opera finalmente sobre el contacto móvil, separándolo del fijo.
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Dis pa rad or m agn é tic o. Constituido por una bobina, que al ser circulada por una
corriente excesiva, crea un campo magnético suficiente para desplazar el núcleo central, el que a su vez opera sobre el mecanismo de desconexión abriendo el disyuntor. El disparador magnético es del tipo instantáneo para sobreintensidades elevadas.
Cám ara d e C or te. Corresponde al dispositivo enfriador del arco que se genera al
abrir los contactos durante la circulación de la corriente de falla. Tiene cierto número
de placas metálicas ferrosas aisladas unas de otras, que producen el enfriamiento del arco, que es dividido en una serie de pequeños arcos que se producen entre una placa y otra, creciendo la tensión de arco en sentido opuesto al voltaje aplicado haciendo que la cámara apague el arco. De este modo, la corriente de cortocircuito es drásticamente limitada y cortada en cuanto la tensión de arco alcanza el valor de la tensión aplicada.
3.2.1.1
Características de Operación
Dos tipos de defecto pueden hacer actuar un disyuntor: la sobrecarga y el cortocircuito. Sobrecarga.
En caso de sobrecarga o de calentamiento, el bimetal se dilatara y
provocara la apertura del disyuntor. El tiempo de reacción del disyuntor es inversamente proporcional a la corriente que le atraviesa. En caso de sobrecargas o de calentamientos débiles, el bimetal se calienta lentamente durante un largo tiempo de reacción, en cambio, para el caso de una fuerte sobrecarga, el bimetal se calienta rápidamente teniendo una reacción rápida. Cortocircuitos.
En caso de un cortocircuito, el dispositivo electromagnético abre el
disyuntor en un tiempo muy corto, del orden de algunas milésimas de segundos.
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En general, el tiempo de apertura de contactos de los interruptores termomagnéticos tradicionales es como máximo igual al tiempo de duración del primer semiciclo de la señal alterna fundamental. La forma en como las protecciones termomagnéticas modulares responden a las corrientes de sobrecarga y cortocircuito, viene representada por medio de su curva de respuesta, las que se caracterizan por las siguientes corrientes de referencia: - Corriente Nom
inal ( I N ). Corriente a la cual se refieren todas las especificaciones
de construcción del aparato y que representa el valor unitario en la característica de funcionamiento. - Corriente de No Funcionamiento (I
NF ).
Valor máximo de sobreintensidad que no
hace disparar al interruptor dentro del tiempo convencional. - Corriente de Func
ionamiento
(I F ). Valor mínimo de sobreintensidad que hace
actuar al interruptor dentro del tiempo convencional. Todas las corrientes características anteriores, adoptan diversos valores en función de la norma a la que se refieran.
Características de intervención de interruptores automáticos modulares Norma
IN
INF
IF
IEC 947 – 2
< 63 A > 63 A
1,05 IN 1,05 IN
1,30 IN 1,30 IN
Tiempo convencional 1,0 hrs. 2,0 hrs.
IEC 898
< 63 A > 63 A
1,13 IN 1,13 IN
1,45 IN 1,45 IN
1,0 hrs. 2,0 hrs.
NCH 2012
< 82 A
0,9 IN
1,30 IN
1,0 hrs.
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El disparador magnético de las protecciones modulares, debe ser capaz de soportar sin operar, la corriente transitoria que se produce durante la conexión de la carga presente en el circuito. Esta capacidad, queda definida por tres tipos de disparadores característicos:
- Tipo B. Posee un rango de soporte al disparo por sobrecorrientes transitorias de arranque comprendida entre las 3 y las 5 veces la capacidad nominal de la protección. Su aplicación esta orientada preferentemente para circuitos de control y alumbrado resistivo.
- Tipo C. Su rango de soporte esta comprendido entre las 5 y las 10 veces la corriente nominal del interruptor. Posee gran cantidad de aplicaciones, siendo las más comunes la iluminación fluorescente y los circuitos de enchufes.
- Tipo D. Se utiliza preferentemente para la protección de circuitos donde hay fuertes transitorios de encendido. Resultan adecuados para la protección de pequeños transformadores, motores, etc., Están regulados para sobrecorrientes entre 10 y 20 veces la capacidad nominal del disyuntor.
t
Térmico (Sobreintensidad débil: desconexión lenta)
3
0,01 s F
IN
IF
5 B
C
10
20
Magnético (Sobreintensidad fuerte: desconexión rápida)
D
Figura 3.3 – Curvas de operación normalizadas
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3.2.1.2
Capacidad de Ruptura
Es la más grande intensidad de cortocircuito que puede interrumpir el disyuntor en las condiciones de tensión, factor de potencia y de cortocircuito determinado por la norma. La protección deberá ser capaz, después de cortar, de funcionar normalmente y de responder todavía a las exigencias propias de la red. La capacidad de ruptura del automático deberá ser mayor o igual a la corriente de cortocircuito supuesta en el punto donde el dispositivo esta instalado, para que pueda proteger a la instalación de las fuertes solicitaciones a la que estará expuesta. La Norma IEC 898 (Domiciliario), y la IEC 947 – 2 (Industrial), definen dos poderes de ruptura según una secuencia de prueba para una misma protección: Poder de Cortocircu
ito de Servicio (
I
CS ) .
Ensayado con la secuencia (*) O – t – CO
– t – CO. Poder de Corto
circuito Últ imo (I
CU ) .
Ensayado con la secuencia (*) O – t – CO.
(*) Nota: O : Operación qu e presuponela intervención nte a uncortocir cuito establecido por n interruptor u auxiliar. t
: Tiem po de enfriamiento.
CO : Operación que presupo ne la inter vención an te un cortocir cuito encerrado al int erior delaparato (establecido por el mismo interruptor).
Estos ensayos definen principalmente el valor de la capacidad de ruptura que tendrá una protección, según el ámbito o sector en la cual se utilice. Esto se establece conforme a la relación existente entre el valor de cortocircuito extremo y el valor del corto circuito de servicio.
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La relación entre ICU e ICS esta especificado normativamente a través del factor
“k”,
expresado a continuación:
Factores k de interruptores modulares Poder de Cortocircuito Último (ICU) ICU ≤ 6000 A 6000 A < ICU ≤ 10000 A ICU > 10000 A (1) Valor mínimo de ICS = 6000 A (2) Valor mínimo de ICS = 7500 A
Factor k 1 0,75 (1) 0,50 (2)
Hasta 6 kA, el factor k = 1; en consecuencia, los interruptores con poder de corte de interrupción último (ICU), menores a 6 kA, deben ser probados bajo las condiciones más exigentes (O – t – CO – t – CO). Se ha tenido en cuenta, de este modo, que tales interruptores son utilizados preferentemente en el uso doméstico, donde las personas que accionan los aparatos no tienen conocimientos específico para poder evaluar el comportamiento de los aparatos en caso de cortocircuito y disponer eventualmente, de su sustitución (IEC 898). Para valores de ICU mayores a 6 kA, el factor k establecido, asigna al interruptor un poder de interrupción último más elevado respecto al de servicio, ya que los aparatos se utilizan en el sector industrial (IEC 947 – 2).
3.2.2
Protecciones Moldeadas
Las protecciones caja moldeada presentan similares características de construcción, intervención y operación que las modulares, pero una de sus principales diferencias esta en la posibilidad que estas tienen, en permitir al usuario modificar sus características de respuesta. Página 52 de 141
El campo de aplicación de las protecciones caja moldeada esta dado para el sector terciario y principalmente para el industrial, debido a sus capacidades nominales y de robustez, principalmente frente a los cortocircuitos de valor elevado. Hoy en día, la electrónica se ha insertado en la construcción de las protecciones caja moleada, haciendo que las posibilidades de uso como la de rendimiento de estas, haya crecido enormemente sin perjuicio del espacio de ocupación al interior de los tableros. Esto último es un gran adelanto, debido a que se ha logrado reducir los tamaños de las protecciones sin modificar su capacidad nominal y características de operación, lo que ha permitido reducir el costo asignado a tableraje de grandes instalaciones, debido a que al disminuir el tamaño de las protecciones también se ha reducido el tamaño de los gabinetes con la consiguiente economía que esto conlleva. Otras de las posibilidades que las protecciones de características electrónicas permite, es la de protección de neutro en sistemas trifásicos de cuatro hilos con cargas monofásicas no lineales. Recordemos que estas cargas (especialmente los computadores), generan corrientes armónicas de secuencia cero y de tercer orden (tercer armónico triplens), las que producen circulación de corriente excesiva por los conductores neutros de los alimentadores trifásicos, con el consiguiente riesgo de sobrecarga de este debido a la utilización de protecciones que solamente operan y protegen a los conductores activos (fases). Las nuevas protecciones electrónicas permiten regular la corriente de operación del polo de neutro, a distintos valores respecto a la corriente de fase.
3.2.2.1
Clasificación
Las protecciones caja moldeada se clasifican en dos categorías de utilización (A o B), según la normalización internacional IEC 947-2. Esta norma determina si el disyuntor está o no específicamente previsto para retrazar su operación en presencia de un cortocircuito.
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Las protecciones categoría A, no están previstas específicamente para la selectividad en condiciones de cortocircuito (sin tiempo de retardo). En general, son del tipo electromecánicas, por lo que sus únicas posibilidades de regulación de parámetros es solo en amplitud, ya que el tiempo es fijo. Estas protecciones al ser electromecánicas, poseen al igual que las del tipo modulares, contactos internos, disparador térmico, disparador magnético y cámara de corte. Los disparadores de las protecciones moldeadas categoría A, pueden ser ajustados (dependiendo el modelo), a distintos valores conforme a los requerimientos de la instalación. Al modificar el térmico, se regula el calibre de la protección, por ejemplo, entre un 70% a un 100% de su valor nominal de fabricación. Respecto al magnético, al regularlo permite modificar el soporte a las corrientes transitorias y por lo tanto mejorar la selectividad de operación. t
I zona de zona de desenclavamiento desenclavamiento térmico magnético Figura 3.4 – Ejemplo curvas de operación magnetotérmico categoría A
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Las protecciones categoría B, están previstas específicamente para la selectividad en condiciones de cortocircuito (con tiempo de retardo). Estos disyuntores tienen un retardo intencional de corta duración (al menos 0,05 seg), y una corriente de cortocircuito asignada de corta duración que pueden soportar durante este tiempo, denominada Icw (fijada por el fabricante conforme a la norma IEC). De acuerdo con la norma IEC, la Icw es la corriente de cortocircuito que el disyuntor puede soportar por un tiempo mínimo de retardo, sin sufrir daños. Los tiempos de retardo fijados por la norma internacional IEC 947-2 son: 0,05 ; 0,1 ; 0,25 , 0,5 y 1 seg. Según lo anterior, este tipo de interruptores tiene la facultad de poder mantener cerrados sus contactos de apertura en presencia de un cortocircuito, durante un tiempo dado, por sobre el convencional. Es importante aclarar, que para poder atrasar el tiempo de operación de la protección, la corriente de cortocircuito presunta que circularía por el dispositivo frente a una falla, debe ser menor o igual a la corriente asignada de corta duración.
Valores de corriente asignada de corta duración Capacidad nominal (In) In ≤ 2500 (A) In > 2500 (A)
Icw 12 veces In o 5 kA (mayor valor) 30 kA
El disparo de la protección categoría B, frente a fallas de sobrecarga y cortocircuito, no se realiza por medio del tradicional bimetal ni la bobina magnética, sino que se realiza por medio de censores electrónicos para proceso y control (microprocesador), y activadores.
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Las características del disparo electrónico se encuentra basada en tres zonas de operación: t
I (1)
(2)
(3)
Figura 3.5 – Ejemplo curvas de operación electrónica categoría B
(1) Zona de protección de largo tiempo de retardo (protección frente a sobrecargas) (2) Zona de protección de corto tiempo de retardo (protección frente a cortocircuitos) (3) Zona de protección instantánea (protección frente a fuertes cortocircuitos) Otra particularidad de las protecciones electrónicas, es que permiten regular su calibre en una zona más amplia que para el caso de los disparadores electromecánicos, además dependiendo del modelo se puede a la vez modificar su tiempo de respuestas. También existe la posibilidad del disparo de la protección frente a fugas a tierra, transformándose el dispositivo en un disyuntor diferencial.
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3.3.0
Interruptores Limitadores
Como sabemos, el valor máximo de la corriente de cortocircuito en ausencia de interrupción, depende de la presunta corriente de falla (valor eficaz de la componente simétrica), del factor de potencia del defecto y de su ángulo de ataque. Esta corriente máxima o peak (IP), puede llegar en el peor de los casos a ser igual a 2,2 veces la corriente presunta de corto circuito (ICC). Todos los dispositivos de interrupción automática de cortocircuito introducen después del tiempo previo al arco, una resistencia de arco que impide hasta la primera semionda, que se alcance el valor de cresta (I P) anteriormente considerado. Se llama coeficiente de limitación
“C”
del aparato, a la relación entre la corriente
efectiva de cresta (IPI), y la corriente de cresta teórica (I P). C=
IPI IP
El coeficiente de limitación es en función directa del tiempo previo al arco y función inversa de la tensión de arco. Los interruptores del tipo rápido con largo tiempo previo (3 ms.), y tensión de arco bastante reducida (25% del voltaje máximo de la red), tienen unos coeficientes de limitación alrededor del valor 0,8; es decir, que limitan la corriente de cresta teórica aproximadamente en un 20%. Los interruptores limitadores de última generación, pueden tener tiempos previos al arco inferiores a 1ms. y tensiones de arco elevadas, consiguiendo coeficientes de limitación inferiores a 0,2. Esto significa que una corriente de cresta teórica de 10 kA (que corresponde a una ICC = 6 kA), esta limitada a únicamente 2 kA (que corresponde a una ICC = 1,5 kA). Esta teoría de la evaluación de la eficacia de los interruptores, explica por que el poder de interrupción de los interruptores limitadores, es igualdad de dimensiones, muy superior al que corresponde a los interruptores del tipo rápido.
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Los disyuntores no limitadores, para tener un poder de ruptura importante, deben ser muy robustos, a fin de soportar las corrientes de cortocircuito importantes. Si los aparatos son ligeros, su poder de ruptura será muy débil y las tensiones de arco son además muy pequeñas, por lo que el disyuntor no puede cortar la corriente sino hasta cuando ésta pasa nuevamente por cero.
En síntesis, al limitar el valor de la corriente de cortocircuito, se estarán además, reduciendo los efectos electrodinámicos y térmicos. Por definición, el poder de limitación de los disyuntores, es la aptitud del dispositivo para no dejar pasar, en un cortocircuito, más que una pequeña parte de la corriente de falla presunta. La aptitud de limitación de un disyuntor se determina por dos coeficientes:
1.-
Coeficiente de limitación de la corriente: ki =
2.-
I lim itada
I presunta Coeficiente de limitación del esfuerzo térmico: t
∫ i dt para I 2
2
ki t =
CC
lim itada
CC
presunta
0 t
∫ i dt para I 2
0
Regla general : Un disyuntor es limitador si : ki ≤ 0,6 y ki2t ≤ 0,3 La reducción en el tiempo y la amplitud del cortocircuito se logra a través de la apertura rápida de los contactos y el desarrollo acelerado del arco, para oponer a la tensión de la red una tensión de arco superior.
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Las ventajas principales de la limitación son por un lado las dimensiones reducidas del dispositivo (lo que lo hace más económico), y por otro, la disminución de los efectos producidos por un corto circuito (electromagnéticos, electrodinámicos, mecánicos y térmicos). Las curvas de limitación en corriente, entregan los valores máximos en amperes de cresta, de las corrientes limitadas por los disyuntores, para cada valor de corriente de cortocircuito presunta. ICC máxima (kA)
Curva de ICC sin limitación ICC no limitada Curva de limitación del disyuntor
ICC limitada
ICC efectiva (kA) ICC presunta Figura 3.6 – Ejemplo curva de limitación en corriente
Estas curvas permiten determinar si la corriente limitada es, por ejemplo, aceptada por el aparato instalado aguas abajo y además verificar si el conductor soporta el nivel de cortocircuito que se puede presentar en el sistema en presencia de una falla. Durante el corto circuito, se generan altas corrientes que pueden dañar los aislantes de los conductores. Estos daños son proporcionales al cuadrado de la corriente y al tiempo de duración de esta solicitación térmica. Es necesario verificar que esta energía específica que deja pasar la protección en el desarrollo de un corto circuito, no debe ser superior a la aceptada por los conductores.
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Las curvas de energía específica entregan la cantidad de energía que deja pasar la protección, en función de la corriente de corto circuito producida por la falla.
i2t (A2/s) 40A 109 32A
8
10
25A
107 10
6
105 104 103 102
ICC (A) 101
102
103
104
105
Figura 3.7 – Ejemplo curva de energía específica
3.4.0
Condiciones de Utilización
Los interruptores automáticos para que brinden una adecuada protección, sin sacrificar la continuidad del servicio, deben ser capaces de cumplir en cualquier tipo de instalación eléctrica con las siguientes condiciones: - Debe asegurar la continuidad de servicio. - Debe ser capaz de permitir la filiación o back up de protecciones - Debe asegurar la protección bajo condiciones de modificación de parámetros.
3.4.1
Selectividad de Operación
Al presentarse una sobrecorriente en una instalación (especialmente srcinada por un cortocircuito), todas las protecciones que se encuentren entre la fuente de alimentación y el punto fallado detectarán el defecto, pero solo el dispositivo más cercano a la falla debe eliminarla para no sacrificar la continuidad del servicio. Página 60 de 141
La selectividad se refiere a la protección que debe operar frente a una falla desde aguas abajo hacia aguas arriba. Este concepto, al lograr que la protección que este más cerca del punto de falla opere primero, delimita la falla a la menor área posible, de modo que las perturbaciones que esta introduce al resto de la instalación son mínimas, lográndose la continuidad de servicio deseada.
Teóricamente es posible asegurar por diferentes métodos, que dos protecciones son selectivas siempre para cualquier valor de corriente de cortocircuito, a lo que se le llama selectividad total. Lamentablemente en la práctica, debido a las combinaciones de protecciones que normalmente se utilizan, sólo existirá selectividad entre dos dispositivos hasta cierto valor de corriente de falla; esto último se denomina selectividad parcial. t
t B
B
A
A
Corriente Límite de Selectividad
Sólo A abre
I
SELECTIVIDAD TOTAL
Sólo A abre
I Ambos abren
SELECTIVIDAD PARCIAL
Figura 3.8 – Selectividad
Para el primer caso de la figura 3.8, la selectividad estará asegurada cuando la protección A opera para todas las corrientes de cortocircuito inferiores o iguales a su poder de corte (selectividad total), mientras que para el segundo caso, la selectividad estará asegurada hasta la corriente indicada en el punto de intersección de ambas curvas. Para valores superiores a dicha corriente, ambas protecciones operan (selectividad parcial).
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Los límites de selectividad para distintas combinaciones de protecciones son dados por los fabricantes, por medio de tablas tal como la indicada en la figura siguiente: Límites de Selectividad Protección aguas abajo 16 (A) 25 (A) 40 (A) 63 (A) 100 (A) 125 (A)
Protección aguas arriba 40 (A) 800 800
63 (A) 1000 1000 1000
100 (A) 1200 1200 1200 1200
125 (A) 1200 1200 1200 1200
160 (A) 2500 2500 2500 1600 1600 1600
250 (A) 3500 3500 3500 2500 2500 2500
400 (A) 8000 8000 6000 6000 6000 6000
630 (A) 8000 8000 6000 6000 6000 6000
1600 (A) T T T T T T
corriente límite de selectividad Figura 3.9 – Ejemplo tabla límite de selectividad
3.4.2
Coordinación de la Protección
Tanto la norma NCH 2012 como la IEC 898, indican que es posible utilizar interruptores automáticos en instalaciones eléctricas en que la corriente de cortocircuito prevista exceda la capacidad de cortocircuito nominal del interruptor, siempre y cuando aguas a arriba, exista otro dispositivo de protección con el poder de interrupción necesario. Lo anterior se denomina protección de BACK – UP o coordinación de la protección. En este caso, las características de los dispositivos deben estar coordinadas de manera que el I2t que deja pasar el dispositivo aguas arriba, no sea superior al que pueda soportar sin dañar, tanto al interruptor aguas abajo como los conductores protegidos. La verificación teórica de la coordinación de BACK – UP puede hacerse comparando las características tiempo / corriente, como también, con las características de limitación de las protecciones a utilizar. Página 62 de 141
Para realizar una buena protección de acompañamiento, es necesario aplicar tablas de asociación o afiliación de protecciones entregadas por los fabricantes.
3.5.0
Modificación de los Parámetros
Dentro de la selección de las características de la protección, un estudio que se hace necesario, es averiguar la forma en como afecta a las características de disparo del dispositivo, la variación de los parámetros nominales de funcionamiento. Lo anterior es importante para poder tomar las medidas de corrección necesarias para asegurar el normal desenvolvimiento de la protección y la adecuada operación en condiciones que estén fuera de sus condiciones ideales de trabajo.
3.5.1
En Función de la Temperatura
Un disyuntor normalizado esta regulado para funcionar a su corriente nominal en una temperatura ambiente de referencia: - Según la NCH 2012
: 20ºC (disyuntores modulares).
- Según la IEC 898 : 30ºC (disyuntores modulares). - Según la IEC 947 – 2
: 40ºC (disyuntores caja moldeada).
Cuando la temperatura se eleva sobre los valores indicados por la norma, es conveniente reducir la corriente de utilización para evitar las desconexiones intempestivas. Los fabricantes deberán entregar tablas de coeficientes a utilizar, en función de la temperatura ambiente.
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3.5.2
En Función de la Cantidad de Aparatos Yuxtapuestos
Cuando
varios
disyuntores
se
instalan
uno
junto
al
otro,
funcionando
simultáneamente a su corriente nominal, la elevación térmica de un polo se limita; esto se traduce en una elevación de la temperatura de funcionamiento de los disyuntores, lo que provoca desenclavamientos intempestivos. Es aconsejable aplicar coeficientes suplementarios dados por los fabricantes, sobre las corrientes de empleo. Estos valores son los recomendados por la Norma IEC 439-1 (en nuestro país no existe normalización al respecto).
Coeficientes de desclasificación de interruptores Nº de Aparatos Yuxtapuestos de 1 a 3 de 4 a 6 de 7 a 9 más de 10
Coeficiente 1,0 0,8 0,7 0,6
A fin de evitar la utilización de estos coeficientes, es necesario espaciar los aparatos, para permitir una buena ventilación. Esto se logra a través de los elementos denominados separadores o espaciadores.
3.5.3
En Función de la Frecuencia
Los disyuntores (modulares y caja moldeada), vienen diseñados de fabrica para ser utilizados a una frecuencia nominal de 50 ó 60 Hz. En instalaciones muy particulares (especialmente la gran minería), la frecuencia nominal de la red de alimentación puede ser de 400 Hz. El funcionamiento a esta frecuencia de los disyuntores, determina un cambio de características de intervención termomagnética, que hay que tener en cuenta para efectuar la correcta elección de estas protecciones. Página 64 de 141
Respecto a la operación frente a la sobrecarga, el relé térmico interviene para corrientes inferiores a las de trabajo a 50Hz, por lo que puede ser necesaria una reducción de clasificación térmica del aparato, que se calculará mediante los coeficientes de reducción entregados por el fabricante en forma gráfica o de tablas. Para el caso del cortocircuito, el relé magnético interviene para corrientes superiores a aquellas con las que funciona a 50 Hz; también en este caso, es necesario calcular el valor de intervención magnética a 400 Hz utilizando los coeficientes de aumentos suministrados por el fabricante. En forma general y a manera de ejemplo, se puede indicar que para el caso de las protecciones modulares, sus umbrales de intervención magnética se ven aumentados entre un 30 y un 45%. En los circuitos de corriente continua, se pueden producir sobreintensidades debidas a sobrecargas, a cortocircuitos o a derivaciones a tierra. Para la protección contra sobrecargas es necesario que todos los bimetales del seccionador sean atravesados por la corriente; en estas condiciones, el funcionamiento térmico del interruptor en corriente continua no se diferencia sustancialmente del funcionamiento en corriente alterna. Para la protección de cortocircuitos (o derivación a tierra o a masa), es preciso que los seccionadores afecten a ambos polos, excluyendo eventualmente el polo unido a tierra o a masa. Debe tenerse presente que la capacidad de interrupción es tanto mayor, cuan mayor sea el número de contactos del circuito. En forma general y según lo anteriormente expuesto, una protección diseñada para trabajar en corriente alterna, puede eventualmente ser utilizada para la protección de sistemas que utilicen alimentación en corriente continua, teniendo la premisa de que el valor de la tensión nominal de trabajo de la protección es menor al ser utilizada en C.C. que en C.A.
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Por ejemplo, una protección diseñada para trabajar en 220 V / 50 Hz (dependiendo del fabricante), al ser utilizada en corriente continua, su tensión nominal de trabajo se reduce en aproximadamente un 36%. (220 (V) C.A. ≈ 80 (V) C.C.).
3.5.4
En Función de la Altura
Los disyuntores están fabricados según normas, para responder a sus características nominales en una instalación realizada a una altura de hasta 2000 metros sobre el nivel del mar. Los fabricantes deben entregar tablas de variación de características nominales, en función de los incrementos de la altura de instalación. Como información general se puede indicar que una de las afecciones que sufre la protección, es la disminución de su rigidez dieléctrica, lo que trae como consecuencia un decremento importante de su poder de ruptura.
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CAPÍTULO IV PROTECCIÓN DE LOS MOTORES
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4.1.0
Fallas en los Motores Eléctricos
El resultado de un estudio hecho con más de 9.000 casos de fallas en motores en Inglaterra, Finlandia y Estados Unidos, indica que más de la mitad de los defectos producidos en estos se debe a sobrecarga, fallo de fase, humedad, aceite, polvo, etc. Es importante destacar que estos defectos se han producido a pesar de la presencia de un sistema de protección normal. Por otra parte, mientras que sólo el 25% de los casos de defectos corresponde a motores de potencia superior a los 40 kW, el costo de la reparación de los mismos supone casi el 80% del total, lo que demuestra claramente que una buena protección es tanto más necesaria, cuanto mayor es la potencia del motor.
Defectos comunes en motores eléctricos Tipo de Defecto Sobrecarga Ausencia de fase Cortocircuitos poraceite, envejecimiento del aislante Humedad, polvo, etc. Defectos mecánicos
% Defectos 46-18 22-5
% Medio 30 14
21-15 10-7 3-7
19 10 5
Según lo indicado en la tabla anterior, los defectos que mayoritariamente sacrifican la integridad de los motores eléctricos son las fallas de sobrecarga, ausencia de fase y cortocircuitos, mientras que los efectos del medio ambiente y problemas mecánicos por falta de una adecuada mantención preventiva son de menor nivel de ocurrencia, aunque inciden en algunas de las fallas anteriores.
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4.1.1
Sobrecargas
La falla de sobrecarga en los motores puede deberse a diferentes factores, tales como exceso de carga en el eje, defectos mecánicos, falta de mantenimiento, etc. En general, esta falla produce como efecto sobre el motor eléctrico, el aumento de la temperatura en sus bobinas. El arrollamiento del estator es la parte más vulnerable del motor desde el punto de vista térmico, siendo los materiales aislantes de los conductores que forman el bobinado los principales responsables. Los aislantes utilizados en motores de potencia, están previstos para unas temperaturas de funcionamiento bien definidas según la clase de aislamiento; para motores se utilizan generalmente las clases B y F, que admiten en permanencia unas temperaturas máximas de 120ºC y 140ºC respectivamente. θ
(°C) θMAX
180 165 155 140 130 120 110
> 180°
θMAX
θ MAX
Temperatura del medio refrigerante θMAX θMAX
Calentamiento máximo admisible
70K
80K
100K
125K
40 0
E
B
F
H
C
Figura 4.1 – Clases de aislamientos de motores eléctricos
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Los motores se dimensionan normalmente para una vida teórica del orden de 25.000 horas de servicio (aproximadamente 10 años), con el aislamiento sometido a una temperatura máxima admisible en permanencia (por ejemplo 120ºC para clase B). Cuando se sobrepasa esta temperatura, la vida del motor se reduce según una regla generalmente aceptada, llamada regla de Montsinger.
100000
10000 ) h ( li t Ú a d i V
1000
100 100
120
140
160
180
200
220
240
Temperatura del Aislante (°C)
Figura 4.2 – Regla de Montsinger para aislaciones Clase B
Según la regla de Montsinger, cuando a un motor con aislación Clase B se le hace trabajar en permanencia a 10ºC por encima de su temperatura límite (120 + 10 = 130°C), su vida se reduce aproximadamente en un 60%, de 25.000 horas a 10.000 horas (ver figura 2), y si se le hace trabajar a 20ºC más, su vida se reduce aproximadamente a la quinta parte, es decir, a unas 4.000 horas. Esto equivale a decir que cuando se ajusta el dispositivo de protección térmico de forma incorrecta a una intensidad superior a la nominal del motor, es muy probable que éste trabaje por encima de su temperatura límite, lo que supone, como hemos visto, una reducción de la vida del mismo.
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En general los dispositivos de protección contra sobrecarga térmica de los motores, no poseen la capacidad de operar directamente sobre el circuito de potencia, sino que trabajan conjuntamente con un elemento denominado contactor, los cuales son dispositivos de maniobra electromagnéticos de operación mecánica, comandados por medio de un electroimán. Cuando un contactor se encuentra activo producto de la energización de la bobina, este mantiene sus contactos en estado cerrado, lo que permite que la potencia que requiere el motor para funcionar circule libremente por los polos del circuito, entre la red de alimentación y la máquina. Los contactores son aparatos de construcción robusta que permiten operar en sistemas que exigen gran cantidad de maniobras con distintos tipos de carga. La carga asociada al contactor indica fundamentalmente la categoría de uso de este, las que están indicadas en la norma IEC 947-4.
4.1.2
Ausencia de Fase
La ausencia de una de las fases de alimentación a un motor trifásico, produce en general el mismo efecto que la falla de sobrecarga, es decir, un aumento en la temperatura en las bobinas del motor. La falla de ausencia de fase se conoce como la de asimetría, pero en el caso de los motores se prefiere denominarla falla regenerativa. Regeneración, frecuentemente nombrado también retroalimentación, va a ser siempre un problema cuando haya una interrupción de los conductores en alguna parte de la instalación eléctrica. La causa de esta interrupción puede ser un fusible quemado, una ruptura en la conducción o falla de contacto en una conexión; pero el responsable de una retroalimentación es un motor trifásico o un transformador.
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Los motores eléctricos que trabajan a dos fases tienen la propiedad de regenerar la fase faltante por sí mismo. El valor y el esquema de fases no son conformes con la tensión srcinal de la red, por esta razón, el sistema de corriente trifásico es ahora asimétrico detrás de la interrupción. El grado de la asimetría depende del tipo, del tamaño y la situación de carga del motor.
Lo problemático de la ausencia de fase a un motor trifásico, es que un funcionamiento sin una de las fases de alimentación no es reconocido inmediatamente por los dispositivos de protección térmica tradicionales, por lo que cuando estos la detecten, podría ser demasiado tarde y la máquina se resulte dañada.
4.1.3
Cortocircuitos
La falla de cortocircuito en un motor, normalmente, es producto de la pérdida de aislación de las bobinas, es decir, es una derivación de la falla de sobrecarga. También en algunas ocasiones puede producirse un cortocircuito en los bornes del motor, no necesariamente por una sobrecarga no eliminada en forma adecuada, si no por causas que no obedecen directamente a la máquina; también esta falla puede producirse en la línea de alimentación al motor. El cortocircuito puede producir efectos altamente nocivos para el motor, tales como la destrucción de sus bobinas, la deformación de sus elementos de soporte, y la degradación de sus piezas mecánicas, por lo que esta falla se debe eliminar en el menor tiempo posible para reducir al máximo estos efectos.
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Cuando en un motor se produce un cortocircuito, este sigue girando debido a la inercia que tiene debido a la velocidad implícita de su eje, lo que produce que al inicio de la falla (estado subtransitorio), el motor se comporte como un generador aportando un determinado nivel de corriente de cortocircuito a la falla presunta generada por el sistema de alimentación. Esta condición debe considerarse al realizarse el cálculo de niveles de cortocircuito, debido a que es un dato de importancia para determinar la capacidad de ruptura adecuada de los dispositivos de protección como la de los conductores del sistema; a la vez que permite evaluar los efectos electrodinámicos y térmicos que puede producir el cortocircuito, y tomar las medidas necesarias para reducirlos mediante el uso de algún dispositivo de protección con características limitadoras. En general frente a las fallas mencionadas se utilizan en un alto número de ocasiones los dispositivos de protección térmicos y los protectores fusibles. También es posible la utilización interruptores automáticos de motor llamados comúnmente guarda-motores.
esquem a fusible+ contactor+ térmico
esquem a guardam otor+ contactor
Figura 4.3 – Circuitos de alimentación y protección de motores
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En la figura 4.3 podemos ver circuitos diferentes de alimentación y protección de un motor según dos procedimientos; el primero utiliza los fusibles de protección de líneas, el imprescindible contactor y su relé térmico; el segundo solamente utiliza un interruptor automático de motor y un contactor.
4.2.0 Dispositivos de Protección Térmica Los dispositivos de protección térmica son todos aquellos que dependen para el disparo de sus órganos de corte, del aumento de temperatura que produce la falla de sobrecarga en el motor.
4.2.1
Relés Bimetálicos
Los relés bimetálicos constituyen el sistema más simple y conocido de protección debido a falla de sobrecarga térmica, la que se detecta por control indirecto, es decir, por calentamiento del motor a través de su consumo. La efectividad de la sobrecarga se traduce a través de la temperatura, en un aumento exponencial que esta en función del cuadrado de la corriente dado por el efecto Joule.
Figura 4.4 – Relés térmicos bimetálicos
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Los relés térmicos bimetálicos funcionan basándose en el principio de dilatación de los materiales. Los bimetales del relé térmico están formados por la soldadura al vacío de dos láminas de materiales de muy diferente coeficiente de dilatación (generalmente ínvar y ferroniquel). Al pasar la corriente eléctrica, los bimetales se calientan y se curvan, con un grado de deflectación que depende del valor de la corriente y del tiempo. En caso de sobrecarga, al cabo de un determinado tiempo definido por su curva característica, los bimetales accionan un mecanismo de disparo y provocan la apertura de un contacto, a través del cual se acciona sobre la bobina de un contactor de maniobra. Este abre y desconecta el motor. Para analizar el comportamiento del bimetal, con el fin de calibrar el relé térmico, es necesario conocer el comportamiento de las curvas en frío y caliente del relé. La figura 4.5 representa las curvas de calentamiento y enfriamiento de los bimetales, donde cada curva representa la potencia constante absorbida por estos. Por efecto Joule se produce una disipación de potencia y una elevación de temperatura, la que al
principio
aumenta
rápidamente posteriormente
y hace
lo
tº
I P1
2 1
×
R
θM ,
2
×
R
P2 ” P3
I
2 3
×
R
en
el cual el bimetal reacciona produciéndose
2
θM
lentamente, alcanzando el nivel de temperatura
2
I
la
P2 ’ θ1
P=0
desconexión. De acuerdo a la descripción observada, se establece que P1 > P2 > P3 ; donde P3 no alcanza el valor
de
la
θ0
t1
t iemp o t2
t 2–2’
t’
2
–2
temperatura
máxima admisible θM.
Figura 4.5 – Curvas de calentamiento y enfriamiento de los bimetales
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Las curvas de enfriamiento presentan un comportamiento similar a las de calentamiento; el procedimiento de enfriamiento se observa a través de la curva P2 – P2” , este procedimiento demora aproximadamente entre 0,5 y 5 minutos. El punto P2’
representa la reiniciación de la curva de calentamiento hasta P2”, este procedimiento se lleva a cabo a partir de una temperatura
θ1
que nos señala que el bimetal no fue
enfriado totalmente. El calor que provoca la dilatación de la lámina bimetálica, puede ser debida a la corriente que circula directamente por ella (inducción de calor directa), o bien, el calor puede ser transmitido por un dispositivo de calefacción alojado al interior del relé (inducción de calor indirecta). Para ajustar el relé a diferentes intensidades de corrientes, se incorpora a éste, un tornillo excéntrico que puede acercar o alejar al mecanismo de interrupción de la varilla de empuje, que responde al movimiento de la lámina bimetálica. Actualmente existen los relés térmicos del tipo diferenciales, los que disponen de un sistema mecánico diferencial para la protección contra falla de fase. Si durante la marcha del motor se interrumpe una fase, el bimetal de esta se enfría, y desplaza hacia la izquierda la regleta superior mostrada en la figura 6. Con ello se consigue una carrera adicional en el extremo de la palanca, de forma que con una menor deformación de los otros dos bimetales se produce el disparo.
Figura 4.6 – Mecanismo de operación de los actuales relés térmicos diferenciales
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Como su nombre lo indica, el relé térmico es un dispositivo dependiente de la temperatura, por lo que puede ser influenciado por variaciones de esta. En general, la temperatura de servicio admisible por la laminas bimetálicas de los actuales relés térmicos con compensación de temperatura, está comprendida entre los -25°C y +60°C. Las condiciones ambientales de trabajo de los relés térmicos bimétálicos, esta dada en general en la IEC 144. En esta normativa se establece que estos dispositivos deben contar con protección contra cuerpos sólidos superiores a 12 milímetros (dedos de una mano), y en el caso de los cuerpos líquidos no se establece ninguna exigencia de protección. En resumen, los relés térmicos bimetálicos deberán tener un índice de protección como mínimo igual a 20 (IP-20). Las características de operación de los relés térmicos bimetálicos, esta dada por medio de su curva de operación, en la cual, se puede determinar el tiempo de reacción de la protección, frente a un determinado nivel de sobrecorriente. En el caso de una falla de fase, en lo que respecta a la operación del relé, el efecto resultante es un desplazamiento de la curva de disparo según la línea de trazos de la curva característica, de forma que éste se produce con una intensidad inferior a la nominal.
Figura 4.7 – Curva típica de disparo de los relés térmicos diferenciales
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Para poder seleccionar las características adecuadas de un relé térmico como dispositivo de protección de motores, es necesario conocer el tiempo de arranque que posee la máquina. Según esto, la norma IEC 947-4 define las siguientes clases de protección térmica:
Clase 10A : Disparador térmico para motores con tiempos de arranque pequeños (sin carga en el eje); mayor que 1 pero menor a 10 segundos.
Clase 10
: Disparador térmico para motores con tiempos de arranque cortos (con carga en el eje); mayor que 1 pero menor a 10 segundos.
Clase 20
: Disparador térmico para motores con tiempos de arranque medianos (con carga en el eje); mayor que 10 pero menor a 20 segundos.
Clase 30
: Disparador térmico para motores con tiempos de arranque largos (con carga en el eje); mayor que 20 pero menor a 30 segundos.
En general, todos los relés térmicos bimetálicos normalizados poseen las siguientes corrientes características:
In
: Corriente nominal (A).
Ie
: Corriente de ajuste (A).
Irmin : Corriente de reacción mínima (A). Irmax : Corriente de reacción máxima (A). Los relés térmicos, deben ser capaces de soportar sin operar durante tiempos específicos, y abrir también para tiempos definidos, una cierta cantidad de corriente equivalente a ciertas veces la corriente de ajuste del relé. Estos valores son establecidos en la IEC 947-4 y son mostrados en la tabla siguiente:
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Características de operación de los relés térmicos bimetálicos
Clase 10A 10 20 30
4.2.2
Tiempos de Intervención Corriente de reacción mínima Corriente de reacción máxima × Ie 1,05 Ie × 1,20 Ie × 1,50 Ie × 7,2 2 hrs < 2 hrs < 2 min 2 a 10 seg 2 hrs < 2 hrs < 4 min 4 a 10 seg 2 hrs 2 hrs
< 2 hrs < 2 hrs
< 8 min < 12 min
6 a 20 seg 9 a 30 seg
Sondas Térmicas
La protección con sondas térmicas constituye un magnífico sistema de protección contra las sobrecargas térmicas suaves y prolongadas. La sonda es como un termómetro que mide de forma directa la temperatura del arrollamiento del motor, acusando también la influencia de otros factores externos, tales como una temperatura ambiente excesiva o una refrigeración insuficiente. Aunque hay varios tipos de sondas, las más utilizadas son las de coeficiente de temperatura positivo (PTC) o termistancias, las cuales se caracterizan por provocar un aumento brusco de su resistencia cuando la temperatura llega a un valor nominal de funcionamiento (TNF). Para este valor, la termistancia, conectada a un relé electrónico especial, provoca el disparo del contactor de maniobra.
Figura 4.8 – Curva típica de variación de resistencia por temperatura de las sondas térmicas
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Como las sondas miden exclusivamente la temperatura del punto en que hacen contacto, es necesario colocarlas en los lugares más críticos del arrollamiento del motor; generalmente en el fondo de las ranuras o en las cabezas de bobina del lado de salida del aire. Esto obliga a efectuar su montaje de forma cuidadosa durante la fase de bobinado del motor para asegurar un buen contacto térmico. Además de los problemas que lleva la colocación de la sonda hay otro factor que condiciona decisivamente este sistema de protección. A pesar de su pequeña masa (como una cabeza de cerilla), la sonda reacciona con un cierto retardo definido por su constante de tiempo térmica, que en la práctica suele ser del orden de 8 a 10 segundos. Esta inercia térmica, normalmente olvidada, es un factor muy importante a tener en cuenta sobre todo en casos de sobrecargas bruscas o bloqueo del rotor.
Figura 4.9 – Curva típica de variación de temperatura en función del tiempo de motores
En la figura 4.9, se representa la curva de variación de temperatura en función del tiempo de un motor hipotético denominado M1 sometido a una densidad de corriente de 20 A/mm 2, y la correspondiente curva de temperatura de su sensor PTC. Igualmente representamos la de un motor M2 sometido a una densidad de corriente 2
de 50 A/mm , y la de su sensor. En ambos motores suponemos que sus aislantes son del tipo B.
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Supongamos ahora que el motor M1 se halla trabajando a una temperatura normal de funcionamiento TNF de 110 ºC y sufre una brusca sobrecarga. Como la sonda no reaccionará hasta pasados 10 segundos, esto dará tiempo a que el motor llegue a alcanzar la temperatura de 140ºC, es decir, queda trabajando (140 - 120 = 20 ºC), 20°C por encima de la temperatura máxima admitida por el aislante clase B. Si ahora el motor M2 es el que sufre una brusca sobrecarga, y suponemos que también está trabajando a una temperatura normal de funcionamiento de 110 ºC, la sobrecarga hará que la inercia de 10 segundos permita alcanzar al bobinado los 210 ºC, lo cual produciría serios daños. Como las sondas térmicas sólo pueden detectar calentamientos con un cierto retardo, no suministran una protección rápida, como sería de desear, en los casos contra fallos de fase, bloqueo del motor, cortocircuito entre fases, y defectos o derivaciones con respecto a tierra. Tampoco las sondas térmicas protegen a los conductores de alimentación, por lo que su empleo sólo es aconsejable en combinación con otros sistemas de protección.
4.2.3
Relés Electrónicos
El secreto de una buena protección está en simular lo más exactamente posible el comportamiento térmico del motor, lo que evidentemente no es nada fácil. Son muchas las causas que afectan al buen funcionamiento de un motor y por lo tanto solamente un dispositivo electrónico es capaz de realizar los distintos reglajes y las distintas combinaciones necesarias para poder cubrir la casi totalidad de las posibles causas de avería que se pueden presentar en un motor. Los relés electrónicos actuales son aparatos de fijación sobre riel tipo omega, en el que todos los elementos de mando y señalización se han dispuesto en la parte frontal del aparato.
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Los relés electrónicos actuales realizan todas las funciones de simulación que le caracterizan mediante la señal extraída de tres transformadores de intensidad, incorporados en el propio aparato. De esta forma podemos decir que no hay una conexión directa del relé con el circuito de potencia que alimenta al motor. El circuito electrónico del relé se alimenta con tensión alterna de 220 (V), lo cual quiere decir, que en la gran mayoría de los casos obtendremos esta tensión entre cualquiera de las fases de alimentación del motor y el neutro de la red. La combinación de todas sus características y funciones se traduce finalmente en dos contactos, uno normalmente cerrado y otro normalmente abierto. Por lo general, es el contacto normalmente cerrado el que se utilizará para desactivar la función memoria del contactor, en caso de detección de avería, y el normalmente abierto para la señalización. La intensidad nominal de empleo del motor In se regula de forma digital con la ayuda de conmutadores de contacto deslizante. El campo de reglaje varia según el fabricante, pero en general podemos encontrar modelos de 20 a 180 A y de 160 a 400 A. Por estos valores, a primera vista parece que este tipo de relé no cubre la gama de motores pequeños, (menos de 20 A.), pero no es así, ya que para máquinas entre 0,5 y 20 A. puede modificarse la relación de transformación de los transformadores de corriente para conseguir el valor deseado. La curva de variación por sobrecargas puede variarse a voluntad mediante conmutadores deslizantes situados en la parte frontal del aparato. La selección de la curva se hace regulando el tiempo de disparo, para el que la intensidad resulta ser 6 veces la nominal entre 2 y 30 segundos, en escalones de 2 segundos. Disponer de una curva de disparo variable nos permitirá adaptarnos a la forma de arranque del motor, pues si se trata de un arranque rápido (por ejemplo en una bomba sumergida), elegiremos una curva rápida, y por el contrario si se trata de un arranque difícil (por ejemplo en centrifugadoras, molinos o grandes ventiladores), elegiremos una curva lenta.
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Mediante un pulsador situado en la parte frontal del aparato se puede realizar el Test "6xIn", es decir, pulsando este botón simulamos las condiciones en las que la intensidad por el motor es seis veces la nominal, debiendo efectuarse el disparo en el tiempo prefijado. Cuando la intensidad del motor supera el 110% del valor ajustado para la intensidad nominal, existe un diodo luminoso (LED), que se ilumina de forma intermitente. Con ello se puede controlar la duración del arranque o ajustar la intensidad nominal a su justo valor. En el caso de fallo de fase o asimetría de las intensidades superiores al 25%, el relé dispara en 1,5 segundos durante el arranque y en 3 segundos en marcha normal, independientemente de la carga del motor. El disparo queda señalizado mediante el LED correspondiente. Algunos relés electrónicos llevan incorporado la circuitería correspondiente al disparo por sondas térmicas. El disparo térmico, la ruptura o el cortocircuito de la sonda son señalizados mediante un LED. Después de un disparo del relé, este debe ser rearmado manualmente mediante un pulsador de "Reset" colocado en la parte frontal del aparato. Cuando el disparo se ha producido por sobrecarga, el rearme tarda un tiempo en poder realizarse con el fin de dar tiempo a que se enfríe el motor. Un diodo luminoso, LED, de color verde, señala la presencia de alimentación y que el aparato está preparado para entrar en servicio. La conexión del relé es muy simple ya que se alimenta como hemos dicho anteriormente a 220 (V), los transformadores de intensidad incorporados obtienen la señal de mando del relé, y el contacto normalmente cerrado, 95-96, sirve para controlar la función memoria del contactor. El contacto normalmente abierto, 97-98, se utiliza como señalización.
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1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
: Reglaje de la intensidad nominal. : Selección de la curvade disparo. : Señali zaciónde dispar o por sondasPTC. : Señalizaciónde fallo de faseo asimetría. : Señalizaciónde disparopor sobrecarga . : Señalización del estadode funcionam iento. : Conexiónde la tensión de alimentación. : Bornesde conexión d e los co ntactos. : Test para autocontrol de la curva de disparo. : Botónde rearme.
11 : Conexión delas sondas térmicas.
Figura 4.10 – Relé electrónico marca Sprecher modelo CEF 1-12
La tensión de alimentación, 220 (V), del relé y del circuito de mando del motor la podemos obtener entre una de las fases L 1 y el neutro de la red general.
Figura 4.11 – Conexionado del relé electrónico marca Sprecher modelo CEF 1-12
La función memoria tiene como pulsador de mando el contacto 13-14, como pulsador de paro el 21-22, siendo el contacto de retención el 13-14, perteneciente al contactor K1M.
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4.3.0
Cortacircuitos Fusibles
Los fusibles son elementos de protección que desconectan con seguridad sobrecorrientes de amplitudes muy elevadas, por lo que son utilizados en la actualidad, preferentemente para la protección de la línea de alimentación a motores contra el cortocircuito. Sus partes fundamentales son en general, uno o varios elementos fusibles encapsulados y conectados a los contactos de los terminales (es posible que tengan otros elementos según el tipo de fusible y construcción). La resistencia eléctrica del elemento fusible es tan baja que simplemente actúa como un conductor. Cuando ocurre una falla de sobrecorriente de magnitud destructiva, el elemento fusible se funde muy rápidamente y abre el circuito para proteger los conductores y otros componentes del mismo. Las características de disparo de los fusibles son estables, a la vez que estos no requieren de un mantenimiento periódico o pruebas de funcionamiento. Físicamente en la actualidad, podemos encontrar los siguientes tipos de fusibles en aplicaciones de potencia: - Fusibles cilíndricos - Fusibles cuchilla de elemento simple - Fusibles cuchilla de elemento doble
Figura 4.12 – Dispositivos de protección fusibles
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Generalmente los fusibles cilíndricos están formados por un cartucho de porcelana, en cuyo interior se aloja el conductor fusible rodeado de arena de cuarzo que actúa como medio de extinción. Este hilo fusible se corta en caso de que la corriente del circuito supere bruscamente la capacidad nominal del dispositivo.
hilo fusible en condiciones nominales
hilo fusible luego de la operación
Figura 4.13 – Fusible cilíndrico
El fusible cuchilla de elemento simple, se compone en su interior de una o más laminas metálicas (dependiendo de la capacidad nominal del dispositivo), en vez de un hilo como es el caso de los fusibles cilíndricos. Se conectan eléctricamente a los extremos de las cuchillas, y están encapsuladas en un tubo o cartucho que contiene un material el cual extingue arcos de desconexión.
Figura 4.14 – Fusible cuchilla de elemento simple
En condiciones normales, cuando el fusible opera en, o cerca de su valor de corriente, simplemente funciona como un conductor. Sin embargo, como se ilustra en la figura 4.15, si ocurre una corriente de sobrecarga y persiste por más de un intervalo de tiempo específico, la temperatura del elemento eventualmente alcanza un nivel que causa la fusión en un segmento restringido del elemento.
Figura 4.15 – Operación por elevada corriente de sobrecarga
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Como resultado de lo anterior, se forma un aislamiento y se establece un arco eléctrico. Sin embargo, el arco permite que el elemento metálico se queme, el espaciamiento llega a ser progresivamente más grande. La resistencia eléctrica del arco eventualmente alcanza un nivel tan alto que no puede sostenerse y se extingue. El fusible tendrá cortada completamente toda la corriente que fluye en el circuito. La supresión o extinción del arco se acelera adicionalmente por el material de relleno. Con el diseño de los fusibles de elemento simple actuales, estos tienen una velocidad de respuesta alta a la sobrecorriente y garantizan una excelente protección de los componentes por cortocircuito. Sin embargo, sobrecargas temporales o corrientes de arranque pueden causar aperturas innecesarias a menos que los fusibles sean sobredimensionados. Los fusibles de elemento sencillo, presentan mayor aplicación en circuitos que no estén sujetos a transientes grandes, corrientes de arranque, sobrecargas temporales con cargas inductivas, tales como motores, transformadores, solenoides, etc. A causa del elemento sencillo, estos fusibles son de acción rápida por lo que son preferentemente utilizados en la protección contra el cortocircuito. Si ocurre una falla de cortocircuito en la línea en donde se encuentra el fusible, las secciones restringidas de los elementos de este, se fundirán simultáneamente (dentro de dos o tres milésimas de segundo en el evento de un nivel de corriente de falla alto).
Figura 4.16 – Operación por una corriente de cortocircuito
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La alta resistencia total de los múltiples arcos, más los efectos de extinción de las partículas de relleno causan una supresión rápida del arco y aislamiento del circuito. La corriente de cortocircuito se corta en menos de medio ciclo, antes de que esta corriente pueda alcanzar su máximo valor (el fusible opera en su rango de limitador de corriente). A diferencia de los fusibles de elemento sencillo, los fusibles de doble elemento se pueden utilizar en circuitos sometidos a sobrecargas temporales y corrientes de arranque en motores, para garantizar una funcionalidad tanto en la protección de cortocircuito como en la sobrecarga. No es necesario sobredimensionarlos para prevenir aperturas innecesarias.
Elemento de Elemento de sobrecorriente cortocircuito
Ensamblaje de disparo del resorte
Disparador de calor
Aleación fusible calibrada y conector “S”
Figura 4.17 – Fusible cuchilla de doble elemento
Eléctricamente, los dos elementos del fusible están conectados en serie. Las láminas fusibles similares a las usadas en el fusible de elemento sencillo garantizan la función de protección por cortocircuito; los elementos de sobrecarga garantizan protección contra sobrecorrientes de bajo nivel, y mantienen una sobrecarga que sea cinco veces mayor que el valor en amperes del fusible por un tiempo mínimo de 10 segundos, por esto también se les llama fusibles lentos. Como se muestra en la figura 4.17, la sección de sobrecarga consiste en un disipador de calor de cobre y un resorte operado por un disparador. El segmento disipador de calor esta conectado permanentemente al elemento de cortocircuito (extremo izquierdo de la ilustración), en el extremo opuesto del fusible por un conector en “s” del ensamblaje del disparador. El conector une eléctricamente el elemento de cortocircuito al disipador de calor en la sección de sobrecarga del fusible. Estos elementos están unidos por una aleación de fusible “calibrada”.
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Como se describe en la siguiente figura 4.18, una corriente de sobrecarga produce calor en el elemento de cortocircuito conectado al ensamblaje del disparador. La transferencia de calor del elemento cortocircuito al disipador de calor de la sección intermedia del fusible, empieza a aumentar la temperatura del disipador. Si se mantiene la sobrecarga, la temperatura del disipador eventualmente alcanza un nivel que permite que el resorte del disparador “fracture” la aleación fusible calibrado, liberando al conector del elemento de cortocircuito y el disipador.
Figura 4.18 – Operación por sobrecorriente de sobrecarga
Como resultado, el elemento de cortocircuito se desconecta eléctricamente del disipador, el segmento conductor a través del fusible se abre y se interrumpe la corriente de sobrecarga. Un aspecto critico de la aleación fusible es que retiene sus características srcinales después de sobrecargas temporales repetitivas sin degradación. Al igual que el fusible de elemento sencillo, una corriente de cortocircuito causa la fusión de los segmentos de los elementos de cortocircuito y se formen arcos; inmediatamente después el arco es suprimido por un material extintor y se aumenta su resistencia.
Figura 4.19 – Operación por sobrecorriente de cortocircuito
Los fusibles en general, se identifican mediante dos letras, de las cuales la primera define la clase de función y la segunda indica el objeto a proteger.
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Función y elementos a proteger según la denominación del fusible FUNCIONAMIENTO Corriente Corriente de Denominación permanente interrupción
SERVICIO Denominación
Protección
g
In
≥ Imin
gG gR gB
Conductores Semiconductores Equipos de minas
a
In
≥ 4 In
aM aR
Aparatos maniobrade Semiconductores
En general, los fusibles reúnen las siguientes características principales:
1.- Son seguros. Los fusibles modernos tienen una capacidad de interrupción alta y pueden operar para elevadas corrientes de falla sin ruptura.
2.- Permiten la continuidad del servicio. Cuando ocurre una falla en algún circuito resulta fácil establecer que el fusible más cercano al defecto opere antes que el dispositivo ubicado aguas arriba.
3.- Garantizan una protección óptima. En presencia de una falla en el circuito, permiten mantener los valores de corrientes en amplitudes bajas; por esto se les reconoce como limitadores de corriente. La mayoría de los fusibles utilizados en sistemas interiores de baja tensión tienen valores de tensión de 250 ó 600 (V). La amplitud de la tensión de un fusible debe ser por lo menos igual al voltaje nominal del circuito. El valor del voltaje de un fusible está en función o depende de su capacidad para abrir un circuito, bajo la condición de sobrecorriente. Específicamente, el valor de voltaje determina la habilidad del fusible para suprimir el arco interno que ocurre después que el elemento fusible se funde.
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Si se utiliza un fusible con un voltaje nominal menor que la tensión de la red, la supresión del arco será perjudicial y con algunas condiciones de falla, este no podrá aislar la sobrecorriente en forma segura. Las características de disparo de los fusibles están representadas por medio de sus curvas del tipo tiempo-corriente, en la cual podemos determinar para ciertas condiciones de sobrecorriente, el tiempo en que este se funde. Tiempo de fusión (seg)
40
300 A
Corriente de falla
Figura 4.20 – Forma de las curvas tiempo-corriente de los fusibles
Los fusibles presentan normalmente tres corrientes que definen sus características de operación, las cuales son: -
Corriente nominal (In). Valor de corriente que la protección permite circular sin alcanzar jamás el disparo, siempre y cuando se cumplan sus condiciones nominales de trabajo.
-
Corriente de no fusión (Inf). Valor específico de corriente por sobre la nominal que puede ser soportada por el fusible sin lograr la operación durante un tiempo convencional.
-
Corriente de fusión (If). Valor específico de corriente por sobre la nominal que provoca la fusión del fusible dentro de un tiempo convencional. Página 91 de 141
Los dispositivos fusibles en general, son utilizados para fundirse en condiciones de falla de cortocircuito del equipo asociado, o de la línea que alimenta a dicho equipo. Mientras más apto es el fusible para proteger la instalación contra los cortocircuitos de intensidad elevada, mayor será su poder de ruptura. El poder de ruptura de un fusible representa la máxima corriente de cortocircuito que el dispositivo es capaz de extinguir sin comprometer la integridad de la instalación que el protege. Si una corriente de falla excede la capacidad de ruptura del fusible, el dispositivo puede romperse causando serios daños a la instalación, por lo tanto, el proyectista deberá determinar los niveles de corrientes de cortocircuito en el punto de ubicación del fusible; conocido este valor se deberá elegir un fusible (comercial), que posea una capacidad de ruptura mayor que el cortocircuito calculado. Los actuales fusibles poseen una elevada capacidad de ruptura, por lo que se les conoce también como los fusibles APR (Alto Poder de Ruptura). Estos limitan cortocircuitos que pueden alcanzar más de 100 (kA) eficaces. Un cortocircuito es peligroso tanto por sus efectos electrodinámicos como también por sus efectos térmicos. Los efectos electrodinámicos dependen fundamentalmente del cuadrado de la corriente máxima alcanzada durante el cortocircuito, mientras que los efectos térmicos dependen del esfuerzo térmico del mismo cortocircuito el que se evalúa principalmente en función de la amplitud de la falla y el tiempo de duración de esta. Si un fusible despeja una corriente de cortocircuito en un tiempo inferior a la mitad del primer ciclo de la señal alterna fundamental del sistema, el dispositivo es denominado un limitador de corriente. La mayoría de los actuales fusibles son de características limitadoras, es decir, limitan la corriente de falla a valores tan bajos que dan una protección de alto grado a los componentes del circuito. Gracias a esto, permiten reducir la capacidad de las estructuras de fijación de las barras de distribución dentro de los tableros, minimizan la necesidad de utilización de otros componentes que tengan valores de manejo de corrientes de cortocircuito altas, además permiten elevar la capacidad de ruptura de los interruptores automáticos (el fusible aguas arriba del interruptor).
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Corriente máxima de cortocircuito que fluiría sin el uso de un fusible limitador
Corriente nominal antes de la falla
Corriente máxima de cortocircuito que fluirí a con el usode unfusible limitador
Inicio del cortocircuito
Figura 4.21 – Efecto del uso de un fusible limitador sobre la corriente de cortocircuito a la instalación
La limitación de la corriente puede variar según las condiciones del cortocircuito (intensidad, factor de potencia, ángulo de desfase al comienzo del cortocircuito). Los fabricantes de los fusibles entregan curvas de limitación, las que representan valores máximos de corriente límite que podrán ser alcanzadas en las condiciones más desfavorables. Corriente limite (A)
2,5 Irms
25000 8000
Curva de limitación
10000 Figura 4.22 – Forma de las curvas de limitación en corriente de los fusibles
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El esfuerzo térmico que produce un cortocircuito, depende de la energía térmica limitada por el fusible durante la ruptura. Efectivamente un cortocircuito libera una energía considerable que puede ser calculada por la integral de Joule: t
∫
E = R i 2 d(t ) 0
Donde: R
: Resistencia de cortocircuito.
i
: Corriente presupuestada de defecto.
t
: Duración del cortocircuito.
Durante el cortocircuito, el esfuerzo térmico limitado por el fusible corresponde a: t
∫
C = i 2 d( t ) 0
Donde: t
: tiempo de ruptura del fusible.
La energía liberada por el cortocircuito, si él no esta limitado, puede entrar rápidamente en fusión toda o parte de la instalación. Dos parámetros principales rigen el esfuerzo térmico: -
Mientras más pequeño sea el factor de potencia tanto más elevada será la energía.
-
Mientras más significativa sea la tensión, tanto o más elevada será la energía.
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4.4.0
Interruptor Automático de Motor
Los interruptores automáticos de motor, o también llamados guarda motor, son aparatos diseñados para ejercer hasta 4 funciones: protección contra sobrecargas, cortocircuitos, maniobras manuales de cierre - apertura y señalización. Este tipo de interruptores, en combinación con un contactor, constituye una solución excelente para la maniobra de motores, sin necesidad de fusibles de protección. Tal como se indicó anteriormente, este tipo de dispositivos protege a los motores frente a sobrecargas, por lo que podemos intuir estos interruptores disponen de una protección térmica. Cada uno de los tres polos del interruptor automático dispone de un disparador térmico de sobrecarga consistente en unos bimetales por los cuales circula la intensidad del motor. En caso de una sobrecarga el disparo se produce en un tiempo definido por su curva característica.
Figura 4.23 – Curva típica de disparo de guarda motores
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La intensidad de disparo térmico es regulable dentro de ciertos límites, normalmente entre 0,6 y 1 vez la intensidad nominal, la que en general se encuentra entre 0,16 A y 25 A. La protección magnética o disparador magnético de cortocircuito consiste en un electroimán por cuyo arrollamiento circula la corriente del motor y cuando esta alcanza un valor determinado, se acciona bruscamente un núcleo percutor que libera la retención del mecanismo de disparo, obteniéndose la apertura de contactos en un tiempo inferior a 10 ms. La intensidad de funcionamiento del disparador magnético es de 11 a 18 veces la intensidad de ajuste. Otra característica interesante en este tipo de aparatos es la limitación de la corriente de cortocircuito por la propia resistencia interna del interruptor, correspondiente a los bimetales, disparadores magnéticos y contactos. Este efecto disminuye a medida que aumenta la intensidad nominal del aparato. Gracias al diseño optimizado de las piezas de los contactos y de las cámaras de extinción, estos aparatos tienen un poder de corte muy elevado. Así, por ejemplo, a 380V. el poder de corte es de 100 kA. para los aparatos de hasta 6,3 A; de 6,3 a 10 A. el poder de corte es de 10 kA, y de 10 a 25 A. el poder de corte es de 6 kA. Una tecla de conexión START y otra de desconexión STOP o RESET permiten el mando manual del interruptor, lo cual le faculta para que en ciertos circuitos se pueda prescindir del contactor. Estos interruptores, en su lateral izquierdo, disponen de un alojamiento para la colocación de un bloque de contactos auxiliares. Un contacto normalmente cerrado y otro normalmente abierto pueden servirnos para todas aquellas funciones de señalización que deseemos.
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También es posible desconectar a distancia estos interruptores, ya que se dispone, en su lateral derecho, de alojamiento para colocar unA bobina de disparo por emisión de tensión, o una bobina de disparo por mínima tensión. Con todo lo dicho sobre los interruptores automáticos de motores, es posible llegar a la conclusión de que aunque estos interruptores no supongan el sistema ideal de protección, pueden sustituir ventajosamente a los grupos fusibles/relés térmicos utilizados para la protección de motores.
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CAPÍTULO V PROTECCIÓN DE LAS PERSONAS
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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. La primera, tiene relación con el concepto de la acción insegura, 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 puesto bajo tensión.
5.1.1
Contacto Directo
El contacto directo se define como la situación en donde la persona o usuario de una instalación interior, toca con alguna parte de su cuerpo, un punto del 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 la otra cuando no lo está. red de alimentación F N
piso aislante F
N
F
(a) aislado del suelo
(b) conectado al suelo Figura 5.1 – Contacto Directo
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El contacto directo mostrado en la figura 5.1 (a), corresponde a una persona que establece contacto entre el neutro y la fase de la instalación (considerando un circuito monofásico), estando aislado de tierra. Al analizar esta situación, 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. red de alimentación F N F
VC
N
RCH
ICH
Figura 5.2 – Circuito eléctrico del contacto directo aislado del suelo
Según se muestra en la figura 5.2, las variables eléctricas que se asocian a este contacto son: - La resistencia de la persona (R CH) - La tensión de contacto (VC) - La corriente que circula (I CH) La reglamentación eléctrica nacional establece para el caso de baja tensión, que la resistencia de las personas en el estudio de los contactos eléctricos debe 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).
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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: ICH =
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 hace peligroso a este tipo de contacto, es la no
existencia de alguna falla que pueda ser detectada por un dispositivo de protección. El contacto directo denominado persona no aislada del suelo mostrado en la figura 5.1 (b), corresponde a cuando un individuo establece contacto con una fase de la instalación, estando conectado a tierra. En este tipo de contacto, el cuerpo del usuario se comporta también como una resistencia al paso de la corriente, con la diferencia respecto 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 evidentemente puede ser detectada por algún dispositivo de protección. red de alimentación F N VC
F
N
RCH
ICH
Figura 5.3 – Circuito eléctrico del contacto directo conectado al suelo
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En el caso mostrado en la figura 5.3, los parámetros mencionados en el tipo de contacto anterior (persona aislada del suelo), se mantienen, luego: ICH =
VC 220 = ≅ 73,3 (mA ) R CH 3000
Nuevamente la magnitud de la corriente que circularía por la persona es suficiente para causar serias lesiones, las que serán proporcionales al tiempo de permanencia en el contacto, dado por las características de operación del dispositivo de protección.
5.1.2
Contacto Indirecto
El contacto indirecto se define como la situación en donde la persona o usuario de una instalación interior, toca con alguna parte de su cuerpo, una superficie metálica de un equipo eléctrico que en condiciones normales se encuentra desenergizada pero que en condiciones de falla se energiza. red de alimentación
F N
F
N
Figura 5.4 – Contacto indirecto
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. Página 102 de 141
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. red de alimentación F N
RCH
F
N
ICH VC
R→0
Figura 5.5 – Circuito eléctrico del contacto indirecto
Según muestra la figura 5.5, si ocurre una falla franca de fase a masa, la carcaza se energizará respecto a tierra con un potencial 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: ICH =
5.2.0
VC 220 = ≅ 73,3 (mA ) R CH 3000
Parámetros que Inciden en un Accidente Eléctrico
Existen una serie de parámetros que incidirán fuertemente 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.
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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. Estas zonas de riesgo son mostradas en la siguiente gráfica: 10000
2000 ) s (m n e o p m e ti
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 5.6 – Gráfica de zonas de riesgo según IEC 60479-1
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.
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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.
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 en baja tensión, la resistencia del cuerpo humano no depende fundamentalmente del voltaje 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.
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Por las condiciones expuestas anteriormente, la resistencia de la persona depende particularmente de:
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.
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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.
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
2,5 m
2,5 m
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. 1,0 m 1,0 m
- Colocando
las
partes
activas
en
bóvedas, salas o recintos similares accesibles únicamente a personal
Figura 5.7 – Zona alcanzable por una persona
calificado. Página 107 de 141
- Separando las partes energizadas mediante rejas, tabiques o disposiciones similares de modo que ninguna persona pueda entrar en contacto accidental con ellas y que sólo personal calificado tenga acceso a la zona así delimitada. - 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 los 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 el 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.
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 (kΩ), para instalaciones hasta 220 (V), y para tensiones superiores, 1 (k Ω) por cada Volt en instalaciones de hasta 100 mts.
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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 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 es generalmente 1:1, y no conectando su secundario a tierra.
red aislada de tierra
alimentación transformador de aislación equipo eléctrico
tierra de servicio
Figura 5.8 – Transformador de aislación
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El esquema eléctrico representativo del sistema mostrado en la figura 5.8 es el siguiente: RC
RTA
resistencia conductores alimentación
resistencia transformador aislación resistencia de falla
resistencia RTS tierra de servicio
RF
resistencia del suelo RS
Figura 5.9 – Circuito eléctrico representativo de la figura 10
Según la figura 5.9, 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
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 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) Página 110 de 141
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.
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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. 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 indicado 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.
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Una gran problemática que existe con el uso de este sistema, es la obtención de la tensión reducida, la que no es complicado 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. 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 inaplicable su uso intensivo por el momento.
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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 otros métodos de protección. Existen serias dificultades para evitar que una elevación de potencial de la unión se transfiera a 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.
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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 Cliente de AT
TS-s TS-p TP-p CP
: Tierra de servicio del sistema (Compañía) : Tierra de servicio particular (Cliente) : Tierra de protección particular (Cliente) : Conductor de protección
Figura 5.10 – 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 RTP tierra de protección
resistencia RTS tierra de servicio
resistencia del suelo RS
Figura 5.11 – Circuito eléctrico representativo de la figura 5.10
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La corriente de falla frente a un pérdida de aislación estaría determinada por la siguiente: IF =
V (A ) RC + RTP + RS + RTS
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 personas contra los contactos indirectos, las condiciones que debe cumplir son: - 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.
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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. 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. t (s)
5 (s)
I (A) 60 (A)
Figura 5.12 – 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
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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. Si utilizamos un diferencial de 30 (mA), al volver a evaluar la resistencia máxima de la puesta a tierra de protección sería de: V 24 24 IF = ) (A ⇒ 0,03 = ⇒ RTP ) =( = 800 Ω RTP RTP 0,03 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.
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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 los equipos conectados a una tierra de protección, ya sea individual o colectiva. L1 L2 L3 N
Z
Z M
TS-p
L1 L2 L3 N CP
TP-e
M
TP-e
TP individual TS-p TP-e TP-c CP Z
M
TS-p
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 5.13 – Puesta a tierra con neutro flotante
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 líneas con potencial distinto, la separación de la parte fallada debe asegurarse mediante dispositivos de corte automático que interrumpan todos los conductores de alimentación.
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Se puede comprender de la figura 5.13, 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. 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.
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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
TS-p
L1 L2 L3 N CP T/F Cliente
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 5.14 – Puesta al neutro
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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.
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- 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. 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.
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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.
5.4.1
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. Página 124 de 141
El protector diferencial, presenta principalmente tres variables de operación, las cuales son: 1. Corriente
de f uncio namiento ( I F ).
Corresponde a la corriente de sensibilidad del
diferencial, a la cual debe operar en todos los casos.
de no funcion amiento ( I N /2 ). Corresponde a la corriente a la cual el diferencial no debe operar en ningún caso, y es igual a la mitad del valor de la
2. Corriente
corriente de funcionamiento. 3. Tie mp o d e funcion amiento (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 realidad, este tiempo no supera normalmente los 50 (ms).
(7)
(7)
(1) (2) (T) (4)
(3)
(1) (2) (2) (2) (4)
(5)
(3)
(6)
(5) (T) (6)
TS
TP
TS
Para aplicaciones monofásicas (1) (2) (3) (4) (5) (6) (7) (T)
M
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 5.15 – Esquema del protector diferencial
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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 Diferenciales
En el mercado eléctrico existen diferentes tipos de protectores diferenciales, cada uno de ellos, adecuado para una aplicación en particular.
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.
Figura 5.16 – Interruptor diferencial
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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 cortocircuito que el diferencial es capaz de soportar sin destruirse.
5.4.2.2
Disyuntor Diferencial
Estos dispositivos unen en un solo elemento la función termomagnética y la función diferencial, es decir, protegen a las instalaciones y los usuarios de estas, en forma conjunta.
Figura 5.17 – 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.
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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 5.18 – Block diferencial
Este dispositivo una vez que se ha asociado con un interruptor termomagnético, asume las mismas características que un disyuntor diferencial.
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 por dentro del toroide (fases y neutro).
Figura 5.19 – Relé diferencial
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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 tiempo de operación y su corriente de sensibilidad.
5.4.3
Clases de Diferenciales
Dependiendo de las características de la señal de trabajo que circule por el dispositivo, los diferenciales pueden ser: Clase AC o 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.
Figura 5.20 – Señales de corriente no sinusoidales
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Si en un equipo que tiene una respuesta de corriente tal como las mostradas en la figura 5.20, 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.
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Los diferenciales Clase AC, están expuestos a los denominados disparos intempestivos, debido a perturbaciones de características transitorias, tanto de srcen interno como externo. Los diferenciales actuales de la Clase AC, 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 tipo 0,5µs/100kHz, corresponde al tipo de corriente que escaparía por las capacidades de la
instalación,
en
caso
de
sobretensión
provocada
por
maniobras
de
conexión/desconexión o encendido/apagado. Aquí el protector diferencial debe ser capaz de soportar puntas de corriente entre 200 y 250 A. 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 1,2/50µ. Los diferenciales deben soportar un valor de 250 A tipo 8/20µs. I
I
100%
I max
90%
0,9 10 µS (f =100 kHz)
10%
0,5
t
0,1
t
8 µS -60% Figura 5.21 – Sobreintensidad oscilatoria amortiguada
20 µS Figura 5.22 – Corriente de choque
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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. Página 132 de 141
En la práctica, lo indicado en el párrafo anterior 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.
5.4.5
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. Por ejemplo, para el caso de la figura 5.23, si la corriente de defecto en el punto de falla supera la sensibilidad del diferencial que está aguas arriba en la instalación (>300 mA), en un instante (no gradual, si no instantáneo), desconectarán los dos diferenciales al mismo tiempo, o en tiempos diferentes pero en forma aleatoria.
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P
4×40 300 mA
D
P
P D
P D
D
2×25 30 mA
IF Figura 5.23 – Selectividad diferencial
Solamente se puede establecer una selectividad 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
con stante, independiente de su
5.4.6
sensibilidad.
El Diferencial en los Circuitos de Computación
En la actualidad existe la problemática del uso de diferenciales en circuitos de alimentación a cargas 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.
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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:
A m n e l ra b m U
Frecuencia en Hz Figura 5.24 – 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 5.24, estos armónicos aumentan levemente el punto de desenclavamiento diferencial, pero el umbral de disparo se sigue manteniendo y por consiguiente también su acción protectora. 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.
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Mediciones reales efectuadas por la UTE (organismo francés de normalización), han arrojado los siguientes valores de corrientes de fuga en 230 (V):
Corrientes de fuga permanentes de algunos equipos Equipo Fax Impresora Terminal computacional Fotocopiadora
Corriente de Fuga en (mA) 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 srcina 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, además, que no ofrece un 100% de seguridad de que no operen los diferenciales tradicionales si la propia instalación presenta fuertes sobrecorrientes transitorias.
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5.4.6.1
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. La tecnología de los diferenciales con alto poder de inmunización (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 5.25 – 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.
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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.
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 los 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)
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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. 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.
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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.
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