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PRINCIPIO DE FUNCIONAMIENTO DEL PROTECTOR DIFERENCIAL Básicamente el diferencial detecta corrientes de fuga producidas por alguna falla de aislación. 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:
1.1.-
Corriente de funcio namiento (I ). S Corresponde a la corriente de sensibilidad del diferencial, a la cual debe operar en todos los casos.
N
L1
Detección Diferencial
Ruptura del Aislante Aislante
I2
I1
IF
Carcaza Conductora
2.2.-
Corriente de no func ionam iento (I /2) N . 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 corriente de funcionamiento.
3.3.-
Tiempo de func ionam iento (t). (t). Es el tiempo 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 jamás de los 40 (ms).
ESTRUCTURA INTERNA DE UN INTERRUPTOR DIFERENCIAL MONOFÁSICO
2
N
L1
1
1
Internamente un disyuntor diferencial monofásico 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 abrirán
3
4
4
Elemento de rearme (2) . Elemento externo de rearme de los contactos (palanca de mando).
5
6
7
. Núcleo interno Toroide d e detección (3) en el cual se producen los flujos magnéticos debidos a las corrientes entrantes y salientes.
Bob inas Princip ales ales (4). (4). Estas bobinas generan los flujos magnéticos en el toroide de detección. Bob ina de d etección etección (5). Si existe una deferencia entre los flujos de las bobinas principales, se inducirá una corriente en esta bobina, la que será enviada al relé de detección. Reléde d etec ci ón (6) . Este es un relé de alta de alta sensibilidad que manda una señal al accionamiento mecánico de los contactos de potencia y los abre en caso de fuga. Sergio Díaz Núñez Profesor de Estado de Electricidad
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Botón y resistencia de test (7). Al presionar este botón 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 descompensación en los flujos magnéticos en el toroide y los contactos de potencia deberán abrirse.
ESTRUCTURA INTERNA DE UN DISYUNTOR Y RELÉ DIFERENCIAL TRIFÁSICO DISYUNTOR DIFERENCIAL
2
N
L1
L2
L3
1
1
1
1
4
3
RELÉ DIFERENCIAL IN
I1
I2
I3
Disyuntor Termomagnético
4
Toroide
4
4
Relé Diferencial
5
6
7 CONSUMO
En el caso del disyuntor diferencial, podemos apreciar que los elementos son idénticos a los de un diferencial monofásico, ampliado a tres fases. La única diferencia la hace el hecho de haber incorporado la función termomagnética, por lo que ahora, esta protección es un disyuntor diferencial. Para el caso del relé diferencial, podemos apreciar que el toroide está separado del resto de los elementos. Además, el relé no se interrumpe así mismo, sino que envía una señal a una protección termomagnética por medio de un contacto auxiliar, y es esta última protección 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 está pasando por el toroide de detección. En la práctica 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 corto circuito que circula a través del diferencial. Sergio Díaz Núñez Profesor de Estado de Electricidad
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El poder de ruptura de los diferenciales es bajo (1500 A), pero sube notoriamente asociándolos a los disyuntores.
TIPOS DE PROTECCIÓN DIFERENCIAL INTERRUPTOR DIFERENCIAL
Este dispositivo incorpora la función diferencial, por medio del mecanismo de detección y el mecanismo de apertura, que le permite operar sobre si mismo y permitiendo además el seccionamiento.
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. El disyuntor de acoplamiento utilizado para este tipo de diferenciales debe ser en el caso monofásico de dos polos (bipolar), y para el caso trifásico, cuatro polos (tetrapolar). 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. 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.
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 de ha mencionado que por norma los diferenciales deberán operara en un tiempo máximo de 300 (ms). Normalmente todos están regulados para su operación en tiempos inferiores a 40 (ms).
Sergio Díaz Núñez Profesor de Estado de Electricidad
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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 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.
P
4×40 300 mA
D
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).
I
P
4×40 300 mA
D
P
P
P
D
D
2×25 30 mA
D
IF
II
P
P D
P D
D
2× 25 30 mA
30 < I F < 150 mA Este caso se cumple en forma muy esporádica y aleatoria, por lo que no nos da ninguna seguridad de funcionamiento en todos los casos de falla.
IF I
2.-
P
Si instalamos un diferencial selectivo (retardado), aguas arriba del punto de protección por diferencial sin retardo. Este tipo de selectividad por tiempo, es más seguro ya que funciona en todos los casos de falla. En nuestro caso, solo podemos lograr el retardo si utilizamos los relés diferenciales.
4×40 300 mA (Relé Diferencial)
D
II
P
P D
P D
2×25 30 mA
D
t op I > t op II En forma general: Los diferenciales tienen tiempo desenclavamiento constante, independiente de su sensibilidad.
de IF
CONEXIONADO DEL PROTECTOR DIFERENCIAL ITM
Esta forma de conectar el protector diferencial monofásico no es correcta, debido a que la corriente del neutro no pasa por el diferencial. En esta condición, el diferencial opera sin existir falla.
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L1
P D
N T
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En este caso las corrientes de fase y neutro pasan por el diferencial. Este opera sólo al existir una fuga superior a su umbral.
ITM L1
P D
N T
ITM
En el sistema de alimentación trifásica mostrado en la figura, el relé diferencial opera al momento de funcionar el motor monofásico. Bajo esta condición, este dispositivo de protección se encuentra mal conectado (no existe conexión entre el toroide de detección del diferencial, con el neutro de la instalación).
L1 L2 L3 N R D
M 3φ
M 1φ
∼
∼
ITM L1
A diferencia del caso anterior, en esta oportunidad el diferencial se encuentra bien instalado, ya que por el toroide de detección esta pasando el conductor neutro de la instalación. Bajo esta condición, el protector diferencial operará sólo cuando exista una fuga superior a su umbral.
L2 L3 N R D
M 3φ
M 1φ
∼
∼
ANÁLISIS COMPARATIVO DISYUNTOR V/S INTERRUPTOR DIFERENCIAL EN SISTEMA DE TIERRA DE PROTECCIÓN (Neutro de la alimentación a tierra + Carcazas de la instalación a tierra)
Este sistema es el utilizado a nivel domiciliario. Recordemos que por norma la red de distribución deberá estar aterrizada cada 200 mts. (alimentación con neutro aterrizado). También la norma exige que las instalaciones interiores estén conectadas a una tierra de protección (conductor verde), lo que implica que las carcazas de la instalación están conectadas a tierra. Recordemos también que la norma NCH Elec 4/84, indica que el máximo valor de tensión debe ser 65 (V) en lugares secos y 24 (V) en lugares húmedos o mojados. A la ves que establece que el tiempo máximo de exposición a la tensión debe ser 5 seg. Ante una falla de aislación la persona va a quedar expuesta a una cierta tensión de contacto, que no debiera ser mayor a la tensión de seguridad. Si queremos protegernos solo con un disyuntor termomagnético, deberemos tener en cuenta que este no podrá operar después de 5 seg.; tiempo que la norma exige como limite de seguridad. En el caso de un termomagnético de 1 × 16 (A) / C / 10 (kA), este necesita una corriente de 60 (A) para que desconecte en 5 seg (según curva característica de operación), por lo tanto, si efectuamos la relación Sergio Díaz Núñez Profesor de Estado de Electricidad
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por ley de Ohm considerando una tensión de seguridad de 65 (V), y la corriente de 60 (A), tenemos que para que opere el termomagnético, será necesario que la resistencia de tierra no supere los 1,08 (Ω), condición que para el sector domiciliario es prácticamente imposible. Como en la práctica no se cumple con el valor máximo de la resistencia de puesta a tierra, la norma NCH Elec 4/84 no dice que se podrán utilizar como dispositivos asociados a los de corte automático los protectores diferenciales. En este caso, al utilizar un protector diferencial la resistencia máxima de la tierra de protección se podrá determinar y no deberá ser mayor que la relación (ley de Ohm), anteriormente descrita. La única diferencia al aplicar la ley de Ohm, es que el valor de corriente a utilizar deberá ser el de la corriente de sensibilidad del protector diferencial, bajo esta condición y al utilizar un protector diferencial de 30 (mA), el valor máximo de la resistencia de la puesta a tierra no deberá exceder los 2167 (Ω), valor que es más real que el caso anterior. Hay que considerar que el tiempo de operación de los diferenciales esta normalizado, y no puede exceder de 300 (ms), además, que en forma general, estos dispositivos funcionan para tiempos inferiores a los 40 (ms), tiempo varias veces menor que el establecido en la norma. Según la información anterior, vemos claramente que en este caso, la protección más completa la brindará un dispositivo diferencial, aunque la resistencia de tierra sea más elevada. EN SISTEMA DE NEUTRALIZACIÓN EN B.T. Y A.T. (Neutro de la alimentación a tierra + Carcazas de la instalación conectadas al neutro)
Este régimen es más utilizado a nivel industrial, y consiste en unir las masas de la instalación al conductor neutro, de tal manera que las fallas francas de aislación se transformen en un corto circuito fase – neutro y operen entonces las protecciones termomagnéticas. La conexión de las carcazas puede realizarse directamente al neutro (TN-C), o a un conductor independiente (TN-S), que se unirá 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 tensión de fase. Además, se requieren secciones de conductores elevadas para mantener la impedancia de falla en valores reducidos. Es importante tener presenta para la elección de la protección, que la corriente de falla es función directa de la tensión 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 sección de los mismos. Si queremos realizar la protección a las personas utilizando solamente un disyuntor termomagnético como protección, este operará solamente si la corriente de falla es mayor que la corriente de desenclavamiento del magnético, y si las longitudes y secciones de los conductores son las adecuadas, es decir, la protección por termomagnéticos 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 operará en un tiempo inferior a los 40 (ms). Una vez más podemos apreciar que es el interruptor diferencial el que operará ante cualquier falla, dándonos la seguridad que el usuario de las instalaciones necesita. EN SISTEMA DE NEUTRO FLOTANTE (Neutro de la alimentación aislado de tierra + Carcazas de la instalación conectadas a tierra)
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Este sistema se basa en el principio de que al estar aislados lo neutros de la alimentación y de la carga, al existir una falla de aislación, no habría corriente de fuga que cierre el circuito por tierra, con lo cual, realmente la falla 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, luego, una falla a masa no energiza la carcaza del equipo fallado, con la consiguiente disminución de riesgos para usuarios y operarios. 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 de be tener en cuenta que si las masas metálicas están interconectadas, la corriente del segundo defecto se convierte en una corriente de corto circuito (bifásico o monofásico). 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 falla 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 los conductores es la adecuada. Al utilizar un protector diferencial, se asegura la desconexión inmediata al segundo defecto, solo necesitará una corriente que sea igual a su sensibilidad. Verificamos una vez más que es la protección diferencial la que nos asegura la protección en todos los casos de contacto indirecto.
FUENTES DE CONSULTA LEGRAND. (2000), “Guía de la protección 2000”, Legrand. GONZALEZ CRUZ CLAUDIO. (1998), “Protección de los usuarios de las instalaciones” parte 2, documento de estudio, INACAP Colon.
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