proteccion_DIFENCIAL

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Sergio Daz Nez Profesor de Estado de Electricidad

[email protected] / http://members.fortunecity.es/sadiaz

PRINCIPIO DE FUNCIONAMIENTO DEL PROTECTOR DIFERENCIAL

Bsicamente el diferencial detecta corrientes de fuga producidas por alguna falla de aislacin. Al detectar que la corriente entrante no es igual a la saliente, esto implica inmediatamente una fuga, ante la cual el diferencial opera. El protector diferencial, presenta principalmente tres variables de funcionamiento, las cuales son: 1.- Corriente de funcionamiento (IS). Corresponde a

la corriente de sensibilidad del diferencial, a la cual debe operar en todos los casos.

2.- Corriente de no funcionamiento (IN/2).

Corresponde a la corriente a la cual el diferencial no debe operar en ningn caso, y es igual a la mitad del valor de la corriente de funcionamiento.

3.- Tiempo de funcionamiento (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 excede jams de los 40 (ms).

ESTRUCTURA INTERNA DE UN INTERRUPTOR DIFERENCIAL MONOFSICO

Internamente un disyuntor diferencial monofsico esta compuesto por los siguientes elementos: Contactos de potencia (1). Corresponden a los contactos que unen a la red o interrumpen el circuito aguas abajo del diferencial. En caso de falla estos se abrirn Elemento de rearme (2). Elemento externo de rearme de los contactos (palanca de mando). Toroide de deteccin (3). Ncleo interno en el cual se producen los flujos magnticos debidos a las corrientes entrantes y salientes.

Bobinas Principales (4). Estas bobinas generan los flujos magnticos en el toroide de deteccin. Bobina de deteccin (5). Si existe una deferencia entre los flujos de las bobinas principales, se inducir una corriente en esta bobina, la que ser enviada al rel de deteccin. Rel de deteccin (6). Este es un rel de alta de alta sensibilidad que manda una seal al accionamiento mecnico de los contactos de potencia y los abre en caso de fuga.

N L1

I2 I1

Deteccin Diferencial

Carcaza Conductora

Ruptura del Aislante

IF

N L1

2

6

4 4

7

1 1

3

5

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Botn y resistencia de test (7). Al presionar este botn con el diferencial energizado, se produce una corriente que al circular por la resistencia de test se limita y no produce cortocircuito, en cambio lo que produce es una descompensacin en los flujos magnticos en el toroide y los contactos de potencia debern abrirse.

ESTRUCTURA INTERNA DE UN DISYUNTOR Y REL DIFERENCIAL TRIFSICO

En el caso del disyuntor diferencial, podemos apreciar que los elementos son idnticos a los de un diferencial monofsico, ampliado a tres fases. La nica diferencia la hace el hecho de haber incorporado la funcin termomagntica, por lo que ahora, esta proteccin es un disyuntor diferencial. Para el caso del rel diferencial, podemos apreciar que el toroide est separado del resto de los elementos. Adems, el rel no se interrumpe as mismo, sino que enva una seal a una proteccin termomagntica por medio de un contacto auxiliar, y es esta ltima proteccin la que abre, seccionando el circuito fallado.

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 interruptor 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 corto circuito que est pasando por el toroide de deteccin. En la prctica se puede dar cuando: - Tenemos una falla franca de aislacin y la carcaza queda energizada con la tensin de fase. - Estamos en un sistema de neutralizacin y la conexin de la carcaza al neutro se ha

desconectado. - Se produce una corriente de corto circuito que circula a travs del diferencial.

IN I1 I2 I3

CONSUMO

Toroide

RelDiferencial

DisyuntorTermomagntico

N L1 L2 L3

2

6

4 4

7

1 1 1 1

3

5

4 4

DISYUNTOR DIFERENCIAL REL DIFERENCIAL

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El poder de ruptura de los diferenciales es bajo (1500 A), pero sube notoriamente asocindolos a los disyuntores.

TIPOS DE PROTECCIN DIFERENCIAL

INTERRUPTOR DIFERENCIAL

Este dispositivo incorpora la funcin diferencial, por medio del mecanismo de deteccin y el mecanismo de apertura, que le permite operar sobre si mismo y permitiendo adems el seccionamiento.

BLOCK DIFERENCIAL Este aparato incorpora solo el toroide de deteccin y el sistema de envo de seal de defecto. No opera sobre si mismo (no permite seccionamiento directo), si no que enva la seal de apertura a un disyuntor al cual se ha acoplado en forma directa. El disyuntor de acoplamiento utilizado para este tipo de diferenciales debe ser en el caso monofsico de dos polos (bipolar), y para el caso trifsico, cuatro polos (tetrapolar).

REL DIFERENCIAL Este tipo de proteccin se constituye de un toroide sensor de corriente de defecto, el que est separado fsicamente del elemento de envo de seal de apertura. Las lneas a censar pasan por dentro del toroide. Al existir una falla, el toroide enva una seal al rel (que se encuentra a cierta distancia dentro del tablero). El rel a su

vez, enva una seal de apertura a un interruptor automtico aguas arriba de la falla, por medio de un contacto auxiliar y el automtico opera despejando la falla. Este rel tiene la opcin de poder variar su tiempo de operacin y su corriente de sensibilidad.

SELECTIVIDAD DIFERENCIAL Como partida para el anlisis de la selectividad en la utilizacin 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 cien a las normativas internacionales respecto a este punto, y dan tiempos iguales de desenclavamiento a todos los diferenciales, sin importar su sensibilidad. Ya de ha mencionado que por norma los diferenciales debern operara en un tiempo mximo de 300 (ms). Normalmente todos estn regulados para su operacin en tiempos inferiores a 40 (ms).

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Por ejemplo, para el caso de la figura, si la corriente de defecto en el punto de falla supera la sensibilidad del diferencial que est aguas arriba en la instalacin (>300 mA), en un instante (no gradual, si no instantneo), desconectarn los dos diferenciales al mismo tiempo, o en tiempos diferentes pero en forma aleatoria.

Solamente se puede establecer una selectividad diferencial, en las dos condiciones siguientes:

1.- Si la corriente de defecto es mayor que la sensibilidad del diferencial que protege el punto (II), y menor que la corriente de no funcionamiento del diferencial instalado aguas arriba (II). 30 < IF < 150 mA Este caso se cumple en forma muy espordica y aleatoria, por lo que no nos da ninguna seguridad de funcionamiento en todos los casos de falla.

2.- Si instalamos un diferencial selectivo (retardado), aguas

arriba del punto de proteccin por diferencial sin retardo.

Este tipo de selectividad por tiempo, es ms seguro ya que funciona en todos los casos de falla. En nuestro caso, solo podemos lograr el retardo si utilizamos los rels diferenciales.

top I > top II En forma general: Los diferenciales tienen tiempo de desenclavamiento constante, independiente de su sensibilidad.

CONEXIONADO DEL PROTECTOR DIFERENCIAL Esta forma de conectar el protector diferencial monofsico no es correcta, debido a que la corriente del neutro no pasa por el diferencial. En esta condicin, el diferencial opera sin existir falla.

P D

P D

P D

P D

IF

22530 mA

440300 mA

P D

P D

P D

P D

IF

22530 mA

440300 mA

I

II

P D

P D

P D

P D

IF

22530 mA

440 300 mA (Rel Diferencial)

I

II

P D

L1

N

T

ITM

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En este caso las corrientes de fase y neutro pasan por el diferencial. Este opera slo al existir una fuga superior a su umbral. En el sistema de alimentacin trifsica mostrado en la figura, el rel diferencial opera al momento de funcionar el motor monofsico. Bajo esta condicin, este dispositivo de proteccin se encuentra mal conectado (no existe conexin entre el toroide de deteccin del diferencial, con el neutro de la instalacin). A diferencia del caso anterior, en esta oportunidad el diferencial se encuentra bien instalado, ya que por el toroide de deteccin esta pasando el conductor neutro de la instalacin. Bajo esta condicin, el protector diferencial operar slo cuando exista una fuga superior a su umbral.

ANLISIS COMPARATIVO DISYUNTOR V/S INTERRUPTOR DIFERENCIAL EN SISTEMA DE TIERRA DE PROTECCIN (Neutro de la alimentacin a tierra + Carcazas de la instalacin a tierra) Este sistema es el utilizado a nivel domiciliario. Recordemos que por norma la red de distribucin deber estar aterrizada cada 200 mts. (alimentacin con neutro aterrizado). Tambin la norma exige que las instalaciones interiores estn conectadas a una tierra de proteccin (conductor verde), lo que implica que las carcazas de la instalacin estn conectadas a tierra. Recordemos tambin que la norma NCH Elec 4/84, indica que el mximo valor de tensin debe ser 65 (V) en lugares secos y 24 (V) en lugares hmedos o mojados. A la ves que establece que el tiempo mximo de exposicin a la tensin debe ser 5 seg. Ante una falla de aislacin la persona va a quedar expuesta a una cierta tensin de contacto, que no debiera ser mayor a la tensin de seguridad. Si queremos protegernos solo con un disyuntor termomagntico, deberemos tener en cuenta que este no podr operar despus de 5 seg.; tiempo que la norma exige como limite de seguridad. En el caso de un termomagntico de 1 16 (A) / C / 10 (kA), este necesita una corriente de 60 (A) para que desconecte en 5 seg (segn curva caracterstica de operacin), por lo tanto, si efectuamos la relacin

P D

L1

N

T

ITM

R D

L1

L2

L3

N

ITM

M 3f

~M 1f

~

R D

L1

L2

L3

N

ITM

M 3f

~M 1f

~

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por ley de Ohm considerando una tensin de seguridad de 65 (V), y la corriente de 60 (A), tenemos que para que opere el termomagntico, ser necesario que la resistencia de tierra no supere los 1,08 (W), condicin que para el sector domiciliario es prcticamente imposible. Como en la prctica no se cumple con el valor mximo de la resistencia de puesta a tierra, la norma NCH Elec 4/84 no dice que se podrn utilizar como dispositivos asociados a los de corte automtico los protectores diferenciales. En este caso, al utilizar un protector diferencial la resistencia mxima de la tierra de proteccin se podr determinar y no deber ser mayor que la relacin (ley de Ohm), anteriormente descrita. La nica diferencia al aplicar la ley de Ohm, es que el valor de corriente a utilizar deber ser el de la corriente de sensibilidad del protector diferencial, bajo esta condicin y al utilizar un protector diferencial de 30 (mA), el valor mximo de la resistencia de la puesta a tierra no deber exceder los 2167 (W), valor que es ms real que el caso anterior. Hay que considerar que el tiempo de operacin de los diferenciales esta normalizado, y no puede exceder de 300 (ms), adems, que en forma general, estos dispositivos funcionan para tiempos inferiores a los 40 (ms), tiempo varias veces menor que el establecido en la norma. Segn la informacin anterior, vemos claramente que en este caso, la proteccin ms completa la brindar un dispositivo diferencial, aunque la resistencia de tierra sea ms elevada. EN SISTEMA DE NEUTRALIZACIN EN B.T. Y A.T. (Neutro de la alimentacin a tierra + Carcazas de la instalacin conectadas al neutro) Este rgimen es ms utilizado a nivel industrial, y consiste en unir las masas de la instalacin al conductor neutro, de tal manera que las fallas francas de aislacin se transformen en un corto circuito fase neutro y operen entonces las protecciones termomagnticas. La conexin de las carcazas puede realizarse directamente al neutro (TN-C), o a un conductor independiente (TN-S), que se unir al neutro en el empalme. Recordemos que el sistema TN-C deja de ser efectivo cuando se corta el neutro, puesto que las carcazas quedan con la tensin de fase. Adems, se requieren secciones de conductores elevadas para mantener la impedancia de falla en valores reducidos. Es importante tener presenta para la eleccin de la proteccin, que la corriente de falla es funcin directa de la tensin de fase e inversa de la impedancia de falla.. Adicionalmente, la impedancia de falla es directamente proporcional a la longitud de los conductores de fase y neutro e inversamente proporcional a la seccin de los mismos. Si queremos realizar la proteccin a las personas utilizando solamente un disyuntor termomagntico como proteccin, este operar solamente si la corriente de falla es mayor que la corriente de desenclavamiento del magntico, y si las longitudes y secciones de los conductores son las adecuadas, es decir, la proteccin por termomagnticos esta muy acotada y no nos da la seguridad de que funcione en todos los casos de falla. El inconveniente principal, es que si se corta el neutro el sistema no opera. Al asociar un protector diferencial al sistema, cualquiera que sea el valor de la corriente de falla, si es sobre la sensibilidad del diferencial, este operar en un tiempo inferior a los 40 (ms). Una vez ms podemos apreciar que es el interruptor diferencial el que operar ante cualquier falla, dndonos la seguridad que el usuario de las instalaciones necesita. EN SISTEMA DE NEUTRO FLOTANTE (Neutro de la alimentacin aislado de tierra + Carcazas de la instalacin conectadas a tierra)

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Este sistema se basa en el principio de que al estar aislados lo neutros de la alimentacin y de la carga, al existir una falla de aislacin, no habra corriente de fuga que cierre el circuito por tierra, con lo cual, realmente la falla se evita. Una primera falla de aislacin no hace operar las protecciones, mantenindose la continuidad del servicio. Los conductores activos del sistema no presentan tensin respecto a tierra, luego, una falla a masa no energiza la carcaza del equipo fallado, con la consiguiente disminucin de riesgos para usuarios y operarios. Todas las ventajas mencionadas, desaparecen cuando se presenta una segunda falla de aislacin, 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 anomalas, tienen un elevado costo propio y de instalacin. Al realizar la proteccin del usuario mediante los disyuntores termomagnticos, se debe tener en cuenta que si las masas metlicas estn interconectadas, la corriente del segundo defecto se convierte en una corriente de corto circuito (bifsico o monofsico). Si esta corriente es mayor a la corriente de desenclavamiento del magntico, el disyuntor operar. En caso contrario la falla persiste. Recordemos que la corriente de falla esta relacionada con la impedancia de falla en forma inversa (ley de Ohm), por lo tanto esta corriente variar dependiendo de la longitud y seccin de los conductores, es decir, la proteccin termomagntica funcionar solo si la longitud y seccin de los conductores es la adecuada. Al utilizar un protector diferencial, se asegura la desconexin inmediata al segundo defecto, solo necesitar una corriente que sea igual a su sensibilidad. Verificamos una vez ms que es la proteccin diferencial la que nos asegura la proteccin en todos los casos de contacto indirecto. FUENTES DE CONSULTA LEGRAND. (2000), Gua de la proteccin 2000, Legrand. GONZALEZ CRUZ CLAUDIO. (1998), Proteccin de los usuarios de las instalaciones parte 2, documento de estudio, INACAP Colon.

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