PROTECCIÓN DE LOS CIRCUITOS ELÉCTRICOS

Toda instalación eléctrica tiene que estar dotada de una serie de protecciones que la hagan

segura, tanto desde el punto de vista de los conductores y los aparatos a ellos conectados, como

de las personas que han de trabajar con ella.

Existen muchos tipos de protecciones, que pueden hacer a una instalación eléctrica

completamente segura ante cualquier contingencia, pero hay tres que deben usarse en todo tipo

de instalación: de alumbrado, domesticas, de fuerza, redes de distribución, circuitos auxiliares,

etc., ya sea de baja o alta tensión. Estas tres protecciones eléctricas, que describiremos con detalle

a continuación son:

a) Protección contra cortocircuitos.

b) Protección contra sobrecargas.

c) Protección contra electrocución.

PROTECCIÓN CONTRA CORTOCIRCUITOS

Se denomina cortocircuito a la unión de dos conductores o partes de un circuito eléctrico, con una diferencia de potencial o tensión entre si, sin ninguna impedancia eléctrica entre ellos.

Este efecto, según la Ley de Ohm, al ser la impedancia cero, hace que la intensidad tienda a infinito, con lo cual peligra la integridad de conductores y máquinas debido al calor generado por dicha intensidad, debido al efecto Joule. En la práctica, la intensidad producida por un cortocircuito, siempre queda amortiguada por la resistencia de los propios conductores que, aunque muy pequeña, nunca es cero.

I = V / Z ( si Z es cero, I = infinito)

Según los reglamentos electrotécnicos, "en el origen de todo circuito deberá colocarse un dispositivo de protección, de acuerdo con la intensidad de cortocircuito que pueda presentarse en la instalación". No obstante se admite una protección general contra cortocircuitos para varios circuitos derivados.

Los dispositivos mas empleados para la protección contra cortocircuitos son:

Fusibles calibrados (también llamados cortacircuitos), o Interruptores automáticos magnetotérmicos

PUESTA A TIERRA DE LAS MASAS

Se denomina puesta a tierra a la unión eléctrica, entre todas las masas metálicas de una instalación y un electrodo, que suele ser generalmente una placa o una jabalina de cobre o hierro galvanizado (o un conjunto de ellos), enterrados en el suelo, con el fin de conseguir una perfecta unión eléctrica entre masas y tierra, con la menor resistencia eléctrica posible, como se ve en la figura 16.4. Con esto se consigue que en el conjunto de la instalación no puedan existir tensiones peligrosas entre masas y tierra.

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En las instalaciones industriales deben de realizarse tomas de tierra independientes para: las

masas metálicas de los aparatos eléctrico, para la conexión de los neutros de los transformadores

de potencia y para la conexión de los descargadores o pararrayos.

En las instalaciones domésticas y de edificios en general se conectarán a la toma de tierra:

Los enchufes eléctricos y las masas metálicas de aseos, baños y cocinas.

Las instalaciones ejecutadas con tubos metálicos de: fontanería, calefacción y gas, así como

calderas, depósitos, instalaciones de ascensores y montacargas, y en general todo elemento

metálico que pueda entrar en contacto con un cable bajo tensión.

Las estructuras metálicas y las armaduras de columnas y muros de hormigón.

Las instalaciones de pararrayos.

Las instalaciones de antenas, tanto de TV como de FM.

El tipo de toma de tierra

con placas, jabalinas, cables, etc.) dependerá generalmente, de la resistencia del terreno y de las dificultades de instalación de uno u otro tipo, para conseguir una baja resistencia de contacto a tierra. El tipo mas empleado tanto doméstica como industrialmente es el que se hace con jabalinas hincadas verticalmente en el terreno, de 1,5 o 2 metros de longitud generalmente.

Existen muchas tablas y fórmulas para calcular las tomas de tierra, según sea el tipo de terreno o el tipo de electrodo empleado, pero son métodos laboriosos y poco exactos, por lo cual lo que se suele hacer en la práctica es medir la resistencia de la toma de tierra una vez realizada, y si aun es grande se coloca una jabalina o varias mas y se mide de nuevo. Estas es mejor colocarlas separadas unas de otras, al menos 2 metros, para conseguir menor resistencia de contacto.

INTERRUPTORES O RELÉS DIFERENCIALES

El interruptor diferencial es un aparato cuya misión es desconectar una red de distribución

eléctrica, cuando alguna de sus fases se pone a tierra, bien sea directamente o a través de

humedades generalmente. El interruptor diferencial se activa al detectar una corriente de defecto

Id, que sea superior a su umbral de sensibilidad Is.

La protección diferencial está basada en la 1ª Ley de Kirchoff, que como ya sabemos dice: "En todo

nudo de conductores, la suma de las intensidades que a él llegan, es igual a la suma de las

intensidades que de él salen". Esto hace que cuando se produce la derivación a tierra de una fase,

exista un desequilibrio entre la suma geométrica de las intensidades de la red; este desequilibrio,

que es precisamente la corriente de defecto Id, es lo que detecta el interruptor diferencial,

provocando a continuación la desconexión de la red defectuosa.

Dispositivo eléctrico

Que debe estar instalado en el cuadro general de la vivienda; la función que tiene es desconectar la instalación eléctrica de forma rápida cuando existe una fuga a tierra, con lo que la instalación se desconectará antes de que alguien toque el aparato averiado. En caso de que una persona toque una parte activa, el interruptor diferencial desconectará la instalación en un tiempo lo suficientemente corto como para no provocar daños graves a la persona.

Los interruptores diferenciales se caracterizan por tener diferentes sensibilidades.

La sensibilidad es el valor que aparece en catálogo y que identifica al modelo, sirve para diferenciar el valor de la corriente a la que se quiere que "salte" el diferencial,

Las diferentes sensibilidades son:

•Muy alta sensibilidad: 10 mA

•Alta sensibilidad: 30 mA

•Sensibilidad normal: 100 y 300 mA

•Baja sensibilidad: 0.5 y 1 mA

El tipo de interruptor diferencial que se usa en las viviendas es de alta sensibilidad (30 mA).

En el interruptor diferencial hay un pulsador de prueba(botón indicado con una T o una P), que simula un defecto en la instalación y por lo tanto al ser pulsado, la instalación deberá desconectar ya que hace una derivación a tierra. Es recomendable apretar el pulsador periódicamente.

La instalación en la vivienda del interruptor diferencial no es sustitutivo de alguna de las otras medidas que hay que tomar para evitar contactos directos o indirectos.

Esta protección consiste en hacer pasar los conductores de alimentación por el interior de un transformador de núcleo toroidal. La suma vectorial de las corrientes que circulan por los conductores activos de un circuito en funcionamiento sin defecto es cero. Cuando aparece un defecto esta suma no es cero y se induce una tensión en el secundario, constituido por un arrollamiento situado en el núcleo, que actúa sobre el mecanismo de disparo, desconectando el circuito cuando la corriente derivada a tierra es superior al umbral de funcionamiento del dispositivo diferencial.

SIMBOLOGIA DEL INTERRUPTOR DIFERENCIAL:

Son dispositivos de protección de sobreintensidad, abren el circuito cuando la intensidad que lo atraviesa pasa de un determinado valor, como consecuencia de una sobrecarga o un cortocircuito.

Generalmente están formados por un cartucho en cuyo interior está el elemento fusible (hilo metálico calibrado) rodeado de algún material que actúa como medio de extinción, el cartucho se aloja en un soporte llamado portafusible que actúa como protector. En ocasiones forman parte o están asociados con otros elementos de mando y protección como seccionadores, interruptores...

El poder de ruptura del fusible viene expresado por el valor eficaz de la corriente de cortocircuito que se hubiera alcanzado de no existir el fusible. Existe gran variedad de fusibles en el mercado de acuerdo con los elementos a proteger. En cuanto al poder de corte existen tres tipos: extrarrápidos, rápidos y de fusión lenta.

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tipos de proteccion electricas

a) Fusibles (protecciones térmicas)

Estos dispositivos interrumpen un circuito eléctrico debido a que una sobrecorriente quema un

filamento conductor ubicado en el interior, por lo que deben ser reemplazados después de cada

actuación para poder reestablecer el circuito. Los fusibles se emplean como protección contra

cortocircuitos y sobrecargas.

b) Interruptor Termomagnético o Disyuntor

Estos interruptores cuentan con un sistema magnético de respuesta rápida ante sobrecorrientes

abruptas (cortocircuitos), y una protección térmica basada en un bimetal que desconecta ante

sobrecorrientes de ocurrencia más lenta (sobrecargas). Estos disyuntores se emplean para

proteger cada circuito de la instalación, siendo su principal función resguardar a los conductores

eléctricos ante sobrecorrientes que pueden producir peligrosas elevaciones de temperatura.

c) Interruptor o Protector Diferencial

El interruptor diferencial es un elemento destinado a la protección de las personas contra los

contactos indirectos. Se instala en el tablero eléctrico después del interruptor automático del

circuito que se desea proteger, generalmente circuitos de enchufes, o bien, se le puede instalar

después del interruptor automático general de la instalación si es que se desea instalar solo un

protector diferencial, si es así se debe cautelar que la capacida nominal (amperes) del disyuntor

general sea inferior o igual a la del protector diferencial.

El interruptor diferencial censa la corriente que circula por la fase y el neutro, que en condiciones

normales debiese ser igual. Si ocurre una falla de aislación en algún artefacto eléctrico, es decir, el

conductor de fase queda en contacto con alguna parte metálica (conductora), y se origina una

descarga a tierra, entonces la corriente que circulará por el neutro será menor a la que circula por

la fase. Ante este desequilibrio el interruptor diferencial opera, desconectando el circuito.

Estas protecciones se caracterizan por su sensibilidad (corriente de operación), es decir el nivel de

corriente de fuga a partir del cual comienzan a operar, comúnmente este valor es de 30

miliamperes (0,03 A). Es muy importante recalcar que estas protecciones deben ser

complementadas con un sistemas de puesta a tierra, pues de no ser así, el interruptor diferencial

solo percibirá la fuga de corriente en el momento en que el usuario toque la carcaza energizada de

algún artefacto, con lo que no se asegura que la persona no reciba una descarga eléctrica.

Circuito electrico

Es tan común la aplicación del circuito eléctrico en nuestros días que tal vez no le damos la importancia que tiene. El automóvil, la televisión, la radio, el teléfono, la aspiradora, las computadoras y videocaseteras, entre muchos y otros son aparatos que requieren para su funcionamiento, de circuitos eléctricos simples, combinados y complejos. (Ver: Historia del circuito eléctrico)

Pero ¿qué es un circuito eléctrico? Se denomina así el camino que recorre una corriente eléctrica. Este recorrido se inicia en una de las terminales de una pila, pasa a través de un conducto eléctrico (cable de cobre), llega a una resistencia (foco), que consume parte de la energía eléctrica; continúa después por el conducto, llega a un interruptor y regresa a la otra terminal de la pila.

Los elementos básicos de un circuito eléctrico son: Un generador de corriente eléctrica, en este caso una pila; los conductores (cables o alambre), que llevan a corriente a una resistencia foco y posteriormente al interruptor, que es un dispositivo de control.

¿Qué es un interruptor o apagador? No es más que un dispositivo de control, que permite o impide el paso de la corriente eléctrica a través de un circuito, si éste está cerrado y que, cuando no lo hace, está abierto.

Existen otros dispositivos llamados fusibles, que pueden ser de diferentes tipos y capacidades. ¿Qué es un fusible? Es un dispositivo de protección tanto para ti como para el circuito eléctrico.

Sabemos que la energía eléctrica se puede transformar en energía calorífica. Hagamos una analogía, cuando hace ejercicio, tu cuerpo está en movimiento y empiezas a sudar, como consecuencia de que está sobrecalentado. Algo similar sucede con los conductores cuando circula por ellos una corriente eléctrica (movimiento de electrones) y el circuito se sobrecalienta. Esto puede ser producto de un corto circuito, que es registrado por el fusible y ocasiona que se queme o funda el listón que está dentro de el, abriendo el circuito, es decir impidiendo el paso de corriente para protegerte a ti y a la instalación.

Relés de protección.

Los reles de protección son derivados de los reles de medición, los cuales por su funcionamiento rápido y automático, hacen posible la agrupación.

Los reles de protección deben reponder a diversas exigencias :

- Consumo propio reducido.

- Sensibilidad.

- Capacidad de soportar cortocircuitos sin deformarse.

- Exactitud de los valores de funcionamiento.

- Indicación de los valores de funcionamiento mediante señales ópticas.

- Posibilidad de transmisión de los valores medidos para la indicación a distancia.

El funcionamiento general de los reles de protección es tal que, al sobrepasar o descender por debajo de un valor de la magnitud de acción que ellos vigilan, hace dispararse al interruptor de potencia.

Tipos de relé de protección y vigilancia de líneas y redes.

Según su funcionamiento los reles de protección pueden ser :

- Sobreintensidad.

- Mínima y máxima tensión.

- Vigilancia de contactos a tierra.

- Diferenciales.

- Distancia.

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Protección contra sobrecargas.

Este tipo de protecciones suele utilizarse en líneas subterráneas como medida de precaución para

evitar el paso de intensidades superiores a las nominales, con el consiguiente peligro para el

aislamiento, por causas térmicas. Naturalmente este exceso de intensidad es siempre muy inferior

a la corriente de cortocircuito, utilizándose para su prevención dispositivos térmicos o magnéticos,

similares a los utilizados el las protecciones de motores.

Corrientes de cortocircuito.

Debido al constante incremento de producción de energía eléctrica, las corrientes de

cortocircuitos, en los sistemas de transporte y distribución actuales alcanzan valores elevados, que

en muchos casos pueden afectar gravemente las instalaciones.

La corriente de cortocircuito de una instalación eléctrica, en general, va acompañada, en el

momento inicial, de fenómenos transitorios seguidos de una situación permanente. Los efectos

básicos del cortocircuito sobre la instalación se pueden resumir en dos :

a) Efecto electrodinamico, debido a la fuerza que aparece en los conductores al ser atravesados

por fuertes corrientes y estar bajo campo magnético. El campo magnético lo crea la misma

corriente o bien la corriente que circule por los conductores vecinos de la misma o distintas fases.

Esta fuerza es proporcional al cuadrado de la intensidad. La fuerza máxima se producirá, por tanto,

cuando la corriente tenga el valor máximo.

Efecto térmico, debido al calor producido por la intensidad ( Efecto Joule ) y a la capacidad

calorifica de la zona donde se haya producido. Dada la escasa duración del cortocircuito,

normalmente inferior a 3 s, puede afirmarse que no se produce transmisión de calor al medio que

rodea al conductor. Puede tomarse como ecuación de equilibrio térmico aproximada la siguiente :

Q = R· I2 · D t

en donde :

R = resistencia ohmica del conductor.

I = intensidad que circula por él.

D t = tiempo de duración del cortocircuito.

Q = capacidad calorifica del cable, que depende de su sección, clase de conductor ( Cu o Al ) y

temperatura máxima admisible.

A partir de la ecuación de equilibrio podrá calcularse la intensidad de cortocircuito máxima que es

capaz de soportar el cable. Además de los efecto anteriores, un cortocircuito produce una caída de

tensión elevada, que a su vez puede dar lugar a desequilibrios de tensiones y corrientes en la red.

CORRIENTE DE CORTOCIRCUITO EN UN PUNTO DE LA LÍNEA

Supongamos un cortocircuito producido a la salida de un transformador para baja tensión, es

decir, el cortocircuito más desfavorable que puede producirse. Para determinar esta intensidad

dispondremos de un método práctico basado en unas gráficas que representan las variaciones de

la intensidad de cortocircuito en función de la potencia del transformador y de la resistencia de la

línea intercalada hasta el lugar del cortocircuito.

Basándonos en estas gráficas, el procedimiento a seguir será el siguiente:

1. Se calcula la resistencia del conductor intercalado desde el transformador hasta el cortocircuito.

2. Al valor de resistencia que resulte deberá sumarsele el valor del hilo neutro, cuando el

cortocircuito sea entre fase y neutro, y multiplicarlo por cuando el cortocircuito sea entre dos

fases.

3. El resultado obtenido se traslada al gráfico de la figura 5, donde en función de la potencia del

transformador, se determinará el valor de la intensidad de cortocircuito en amperios. Mediante

este procedimiento obtenemos la intensidad de cortocircuito en el punto elegido, y con él

tendremos el poder de corte mínimo del fusible o interruptor automático que vayamos a colocar.

El valor obtenido será en exceso ya que no tenemos en cuenta la reactancia de la línea.

CORTACIRCUITOS FUSIBLES DE BAJA TENSIÓN

Los cortacircuitos fusibles son el medio más antiguo de protección de los

circuitos eléctricos y se basan en la fusión por efecto de Joule de un hilo o

lámina intercalada en la línea como punto débil.

Los cortacircuitos fusibles o simplemente fusibles son de formas y

tamaños muy diferentes según sea la intensidad para la que deben fundirse, la

tensión de los circuitos donde se empleen y el lugar donde se coloquen.

El conductor fusible tiene sección circular cuando la corriente que

controla es pequeña, o está formado por láminas si la corriente es grande. En

ambos casos el material de que están formados es siempre un metal o aleación

de bajo punto de fusión a base de plomo, estaño, zinc, etc.

Fundamentalmente encontraremos dos tipos de fusibles en las

instalaciones de baja tensión:

• gl (fusible de empleo general)

• aM (fusible de acompañamiento de Motor)

Los fusibles de tipo gl se utilizan en la protección de líneas, estando

diseñada su curva de fusión "intensidad-tiempo" para una respuesta lenta en

las sobrecargas, y rápida frente a los cortocircuitos.

Los fusibles de tipo aM, especialmente diseñados para la protección de

motores, tienen una respuesta extremadamente lenta frente a las sobrecargas,

y rápida frente a los cortocircuitos.

La intensidad nominal de un fusible, así como su poder de corte, son las

dos características que definen a un fusible.

La intensidad nominal es la intensidad normal de funcionamiento para la

cual el fusible ha sido proyectado, y el poder de corte es la intensidad máxima

de cortocircuito capaz de poder ser interrumpida por el fusible. Para una misma

intensidad nominal, el tamaño de un fusible depende del poder de corte para el

que ha sido diseñado, normalmente comprendido entre 6.000 y 100.000 A.

INTERRUPTORES MAGNÉTICOS

Son interruptores automáticos que reaccionan ante sobreintensidades de

alto valor, cortándolas en tiempos lo suficientemente cortos como para no

perjudicar ni a la red ni a los aparatos asociados a ella.

Para iniciar la desconexión se sirven del movimiento de un núcleo de

hierro dentro de un campo magnético proporcional al valor de la intensidad que

circula.

Así pues, para la curva ejemplo de la figura 3, cualquier intensidad

menor de 4,25 A, no provocaría la desconexión, por más tiempo que estuviera

circulando. En cambio, para cualquier intensidad mayor de 4,75 A, provocaría

la desconexión inmediata.

El límite inferior de la curva (unos 4 milisegundos), viene determinado

por el tiempo que transcurre desde el instante de establecimiento de la

intensidad, hasta la extinción del arco. Este tiempo marca la inercia mecánica y

eléctrica propia de estos aparatos.