Protecciones Termomagneticas

Un Compromiso de los Empresarios de Chile

INSTITUTO NACIONAL DE CAPACITACIÓN PROFESIONAL ÁREA ELECTRICIDAD, ELECTRÓNICA Y TELECOMUNICACIONES SEDE COLON

Protecciones Termomagnéticas Prof. Claudio González González Cruz Año Académico Académico : P’2001 P’2001

Generalidades La creciente utilización de la energía eléctrica, no solo en el sector industrial, sino que también en cada actividad de nuestro diario vivir, caracteriza la evolución actual de nuestra sociedad.

Un número siempre mayor de aparatos y artefactos eléctricos se ha ido insertando en nuestro ambiente, trayendo como consecuencia favorables efectos a nuestra sociedad.

Paralelamente, sin embargo, se ha registrado un notable aumento de las condiciones de peligro, debido en parte a:

Carencia en los proyectos. Desconocimiento de los aparatos. Instalaciones defectuosas (o antiguas).

Los sistemas de protecciones son uno de los elementos integrantes de una instalación eléctrica, más importantes, debido a que éstos pueden asegurar la integridad de una instalación frente a un defecto.

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Av. Padre Padre Hurtado Hurtado Sur 875 875 – Las Las Condes Condes – Santiag Santiago o Área Electricidad, Electrónica y Telecomunicaciones, teléfonos: (2)7310370 – (2)7310488, fax: (2)7310380 – (2)7310381



Protecciones Proteccion es Termomagnéti Termomagnéticas cas

1.0

Prof. Claudio González Cruz

Características Operativas de las Instalaciones Eléctricas

Durante su funcionamiento, toda instalación 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 interruptores termomagnéticos deberán ser capaces de discriminar si esta es perjudicial o no para la instalación.

En general, dentro de las instalaciones eléctricas podemos encontrar dos estados de funcionamiento, el normal y el anormal.

El estado de funcionamiento de una instalación interior es normal, cuando las variables eléctricas (voltaje,

corriente,

aislación,

temperatura,

etc.),

se

encuentran

dentro

de

los

márgenes

preestablecidos.

Cuando se indica que los parámetros están dentro de sus márgenes preestablecidos, se hace referencia a valores definidos por la reglamentación eléctrica vigente y, a la vez, por las exigencias dadas por los fabricantes de los equipos eléctricos asociados a la instalación.

Ocurre en algunas ocasiones, que el proyectista solo se preocupa de dar cumplimiento a las especificaciones normativas, y no considera las necesidades dadas por el fabricante de los equipos que evidentemente son los que utilizarán el sistema eléctrico de la instalación.

En el texto “Conductores y Canalizaciones”, se indico que la máxima caída de tensión permisible en alimentadores es de no más del 3% de la tensión nominal de la red, por lo tanto, si consideramos un sistema monofásico, esta no debería exceder de 6,6 (V). Si por ejemplo, al dimensionar un conductor, se determino que su voltaje de pérdida es de 5,5 (V), evidentemente se esta cumpliendo con la normativa, pero ¿a quien afecta el voltaje de pérdida?; es claro pensar que le afecta a la carga, y si por ejemplo el fabricante del equipo asociado indica que este trabaja en condiciones normales solo con una variación de voltaje de no más de 2 (V), es claro pensar que el equipo no estaría funcionado correctamente.

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El estado anormal, se presenta cuando uno o más parámetros eléctricos, se encuentran sobre o por debajo de los valores preestablecidos.

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 las condiciones anormales. 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.

Justamente son las protecciones las que proveen gran parte de las soluciones que se emplean, ya que por principio tratan de aminorar los efectos de las condiciones anormales de funcionamiento de un sistema, desenergizando el componente comprometido, para mantener la calidad del resto del servicio al aislar sólo los elementos de fectuosos.

Es importante señalar que las anormalidades pueden ser de dos tipos, perturbaciones o fallas, las que por sus características exigirán o no, a las protecciones termomagnéticas, interrumpir el suministro de potencia al circuito o equipo que presen to la anomalía.

Tanto las fallas como las perturbaciones 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 perturbación para el resto. Al aislar el equipo fallado, se elimina simultáneamente la perturbación, con lo cual el servicio se normaliza.

Las perturbaciones son anormalidades de duración breve que en general, no constituyen riesgo para las instalaciones, pero que puede dañar a ciertos equipos si se prolongan más de un tiempo prudencial.

Dentro de los sistemas eléctricos, es posible que se presenten diversos tipos de perturbaciones, siendo la más común la sobrecorriente de arranque.

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La sobrecorriente de arranque es el aumento de la corriente nominal de un elemento durante su tiempo

de

encendido.

Principalmente

In Ia Ip

este

fenómeno se produce en cargas del tipo

: Corriente nominal : Corriente de aceleración : Corriente de partida

inductivas (motores, transformadores, lámparas de descarga etc.), en donde su presencia es bastante notoria.

1 a 10 s

Los motores son equipos que presentan aparte de la corriente de partida, una corriente de aceleración, la que es menor que la de arranque pero superior a la nominal (figura 1). 5 a 10 ms

Las protecciones se deben dimensionar de tal

In

Ia

Ip

forma de que no confundan estas perturbaciones con fallas, es decir, deben ser selectivas.

Figura 1 / Curva de arranque de motores en general

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 y los cortocircuitos. Entre las otras que se pueden mencionar están la apertura de conductores, pérdida de excitación de máquinas sincrónicas, etc., las que producen en definitiva efectos similares a los cortocircuitos.

Una línea o equipo se encuentra sobrecargado cuando su corriente es superior a la nominal debido a una sobre exigencia de potencia. Las sobrecargas son sobrecorrientes durables o breves según el caso.

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.

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El cortocircuito puede ser realizado por c ontacto directo de conductores (llamado también cortocircuito metálico). También puede ser causado por el deterioro o ruptura de la aislación, como es el caso de arcos o fugas que degeneran en cortocircuitos.

La metodología para la determinación de la corriente de cortocircuito, se analiza en el texto “Calculo de Corrientes de Cortocircuitos en Baja Tensión”.

2.0

Interruptores Termomagnéticos

Los interruptores termomagnéticos o también llamados interruptores automáticos, son dispositivos que aseguran la protección de los conductores que alimentan

los

circuitos

terminales

contra

sobrecargas y cortocircuitos, además de servir igualmente

como

aparatos

de

comando

y

seccionamiento.

Es importante señalar que en el mercado profesional, existen dos tipos de protecciones Protección Caja Moldeada

Protección Modular

Figura 2 / Tipos de protecciones termomagnéticas

2.1

termomagnéticas,

una

denominada

caja

moldeada y la otra modular (ver figura 2).

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 n o puede modificar sus parámetros de trabajo.

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2.1.1


Características Constructivas

Las características constructivas principales de las protecciones termomagnéticas modulares, son las siguientes:

-

Contac tos interno s (fijo 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.

Disparador magnético

- Dis par ado r té rm ic o. Constituido por un bimetal

que

se

dilata

debido

a

la

Porta etiqueta

Cámara de Corte

temperatura generada por efecto Joule, al paso

de

una

sobrecorriente.

Contactos internos

Esta

dilatación produce la apertura del circuito

Disparador térmico (sobrecarga)

pues opera finalmente sobre el contacto móvil, separándolo del fijo.

-

Dis par ado r m agn é tic o. Constituido por

Figura 3 / Características constructivas

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 Co rt e. 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, y este efecto hace 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.

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2.1.2


Características de Operación

Dos tipos de defecto pueden hacer actuar un disyuntor:

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.

t=

E R × I2

(Ec. 1)

Donde : E R I t

: Energía en Joules. : Resistencia del bimetal en Ohms. : Intensidad en Amperes. : Tiempo en segundos.

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.

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, es decir:

t=

1 2×f

(Ec. 2)

Donde : f t

: Frecuencia de la señal en Hertz : Tiempo en segundos.

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2.1.3


Características de Intervención

Las protecciones termomagnéticas modulares se clasifican en tres grandes familias de curvas, las que corresponden al tiempo y corriente de desconexión de la protección, bajo diversas condiciones de corriente. Estas curvas se caracterizan por las siguientes corrientes de referencia:

-

Corriente Nomin al (I ). N 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 ). Valor máximo de sobreintensidad que no hace disparar al NF interruptor dentro del tiempo convencional.

-

Corriente de Func ionam iento (I ). F Valor mínimo de sobreintensidad que hace actuar al interruptor dentro del tiempo convencional.

Todas las corrientes características adoptan diversos valores en función de la norma a la que se refieran.

Tabla 1 Características de intervención de interruptores automáticos modulares (según IEC y la NCH) Norma

IN

INF

IF

Tiempo convencional

IEC 947 – 2

< 63 A > 63 A

1,05 IN 1,05 IN

1,30 IN 1,30 IN

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.

Las curvas de respuesta de las protecciones termomagnéticas se clasifican según el umbral de intervención magnética de la protección.

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-


Tipo B. Su circuito magnético más corto permite eliminar los cortocircuitos de muy bajo valor. Su aplicación de basa preferentemente para circuitos de control y alumbrado resistivo. Operan para corrientes entre 3 y 5 veces la IN.

-

Tipo C. Es el tipo universal que corresponde a las instalaciones normales. Se utilizan preferentemente para la protección de líneas. Operan entre 5 y 10 veces la IN.

-

Tipo D. Se utilizan para la protección de circuitos donde hay fuertes picks de corriente. Resultan adecuados para la protección de pequeños transformadores, motores, etc., ya que al disparar para corrientes de cortocircuito de alta intensidad, permiten altas sobreintensidades sobreintensidades de arranque sin que el interruptor opere. Están regulados para sobrecorrientes entre 10 y 20 veces la IN.

1H

Térmico (Sobreintensidad débil: desconexión lenta)

Magnético

3

0,01 s 3 1 , 1

5 4 , 1

5 B

C

10

20

(Sobreintensidad fuerte: desconexión rápida)

D

NFC 61.410 IEC 898 / EN 60.898 Figura 4 / Curvas de operación normalizadas

En las páginas siguientes se entregan las curvas de respuesta de protecciones de la gama DX de Legrand, extraídas del Catálogo General Francés. I NA C AP C O LO N

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Figura 5 / Curva tipo B

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Figura 6 / Curva tipo C

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Figura 7 / Curva tipo D

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2.1.4


Capacidad de Cortocircuito

Es la más grande intensidad de cortocircuito que puede interrumpir el disyuntor en las condiciones de tensión, de factor de potencia y de cortocircuito determinado por la norma.

La Norma NCH 2012 define “Capacidad de Ruptura” como la componente alterna de la corriente de corto circuito prevista, que el interruptor automático es capaz de dejar pasar durante su tiempo de apertura y de cortar en condiciones especificadas, incluyendo en ellas su secuencia de operación.

La protección deberá ser capaz, después de cortar, de funcionar normalmente y de responder todavía a las exigencias de la norma.

Esta 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 Cortocircuito de Servicio (I ) . Ensayado con la secuencia (*) O – t – CO – t – CO. CS Poder de Cortoc ircuito Último Último (I ) . Ensayado con la secuencia (*) O – t – CO. CU 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. (*) Nota: O

: Operació Operación n que presupone la intervención ante un corto circui to establecido establecido por un interruptor auxil auxil iar.

t

: Tiempo de enfriamiento.

CO

: Operació Operación n que presupone la intervención ante ante un cortocircui to encerrado al interior del aparato aparato (establecido (establecido por el mismo interruptor).

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2.1.4.1


Relación entre el Poder de Corte Último y el de Servicio

La relación entre ICU e ICS esta especificado normativamente a través del factor “k” , expresado a continuación:

Tabla 2 Factores k de interruptores modu lares (según IEC 898 e IEC 947-2) Poder de Cortocircuito Último (I CU)

Factor k

ICU ≤ 6000 A 6000 A < ICU ≤ 10000 A ICU > 10000 A

1 0,75 (1) 0,50 (2)

(1) Valor mínimo de I CS = 6000 A (2) Valor mínimo de I CS = 7500 A

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 úlitimo más elevado respecto al de servicio, ya que los aparatos se utilizan en el sector industrial (IEC 947 – 2).

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2.2


Protecciones Caja Moldeada

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 operación. Respecto a esto último podemos indicar, que las protecciones modulares permiten regular el disparador térmico y el magnético, tanto en amplitud como en tiempo de operación según gama y tipo.

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, robustez, principalmente frente a los cortocircuitos de valor elevado.

Cabe destacar que hoy en día, la electrónica se ha insertado en la construcción de las protecciones caja moleada, haciendo que las posibilidades de uso como la performance 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. Esto 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 (0%, 50% y 100% por ejemplo).

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2.2.1


Clasificación

Las protecciones caja moldeada se clasifican en dos categorías de utilización según la normalización internacional IEC 947-2; estas categorías son la “A” y la “B”.

La categoría de utilización se determina en función de si el disyuntor está o no específicamente previsto para la selectividad, con relación a otros disyuntores instalados en serie aguas abajo, en condiciones de cortocircuito.

2.2.1.1

Categoría A

Estas protecciones no están previstas específicamente para la selectividad en condiciones de cortocircuito (sin tiempo de retardo).

En general, las protecciones en esta categoría son del tipo electromecánicas, por lo que sus únicas posibilidades de regulación de parámetros es solo en amplitud, ya que el tiempo es fijo.

Figura 8 / Ajustes de amplitud del térmico y el magnético para categoría A

A continuación se entregan las curvas de respuesta de protecciones de la gama DPX de Legrand en categoría A, extraídas del Catálogo General Francés.

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Figura 9 / Curva de respuesta con térmico regulable y magnético fijo DPX 125

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Figura 10 / Curva de respuesta con térmico regulable y magnético fijo DPX 160

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Figura 11 / Curva de respuesta con térmico regulable y magnético regulable DPX 250

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2.2.1.2


Categoría B

Estas protecciones 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 de acuerdo a la norma IEC).

De acuerdo con la norma IEC, la la Icw es la corriente de cortocircuito cortocircuito que el disyuntor 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.

El valor de Icw, debe ser alguno de los indicados en la tabla siguiente:

Tabla 3 Valores de corriente asignada de corta duración (según IEC 947-2) 947-2) Capacidad nominal (In)

Icw

In ≤ 2500 (A)

12 veces In o 5 kA (el mayor valor)

In > 2500 (A)

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 basa en tres zonas de operación:

1.- Zona de protección de largo tiempo de retardo (protección frente a sobrecargas) 2.- Zona de protección de co rto tiempo de retardo (protección frente a cortocircuitos) 3.- Zona de protección instantánea (protección frente a fuertes cortocircuitos)

Zona de operación de largo tiempo de retardo t

Zona de operación de corto tiempo de retardo Zona de operación instantánea

Ir

Im

I

I

Figura 12 / Zonas de operación de las protecciones electrónicas en categoría B

Otra particularidad de las protecciones electrónicas, es que permiten regular la operación térmica y la magnética ya sea en amplitud o también en tiempo dependiendo de la alternativa comercial.

También en algunos modelos, existe la posibilidad del disparo de la protección frente a fugas a tierra, transformándose el dispositivo en un disyuntor diferencial.

En las páginas siguientes se muestras algunas de las curvas de disparo electrónico de la gama DPX categoría B de Legrand.

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Figura 13 / Curva de respuesta electrónica con térmico regulable y magnético regulable en amplitud DPX 630

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Figura 14 / Curva de respuesta electrónica con térmico regulable y magnético regulable en amplitud DPX H 630

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Figura 15 / Curva de respuesta electrónica con térmico regulable y magnético regulable en amplitud DPX 1600

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Figura 16 / Curva de respuesta electrónica con térmico y magnético regulable en amplitud y tiempo DPX H 1600

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3.0


Elección de la Protección

La elección de las características del termomagnético que servirá como dispositivo de protección a la instalación, es una de las etapas fundamentales dentro del diseño del sistema de protecciones, para lograrlo, se deberán analizar principalmente tres cond iciones básicas:

-

Las características de la red.

-

Las características de la carga.

-

Las condiciones de la instalación.

Analizando a escala general las condiciones condiciones anteriormente descritas, se establece lo lo siguiente:

-

Desde el punto de vista de la red es importante tomar en cuenta el sistema sistema de neutro con el que la instalación esta realizada, los niveles de cortocircuito y los valores nominales de la red.

-

Desde el punto de vista de la la carga, es importante importante para determinar la protección, la corriente nominal de ésta y el tipo de carga..

-

Desde el punto de vista vista de la instalación, las características principales que se deben cumplir cumplir son: la continuidad de servicio, la optimización y trabajar con los parámetros reales.

3.1

Características de la Red

Desde el punto de vista de las características de la red, influyen en la elección de la protección el tipo de sistema de neutro, los niveles de cortocircuito, y los valores nominales de la alimentación.

3.1.1

Sistemas de Neutro (*)

El tipo de sistema de neutro, en el caso de la elección de las características de la protección, tiene aplicación en la selección de la cantidad y cualidad de los polos del dispositivo termomagnético.

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Dentro de las alternativas de sistemas de neutro podemos encontrar las siguientes:

-

sistema de neutro en nuestro nuestro País se conoce como: Puesta a Tierra de protección (TT). Este sistema tierra de protección y dispositivo automático operado por corriente de falla para instalaciones con neutro a tierra. Para este sistema, en el caso de la protección termomagnética, el requerimiento normativo es que en caso de falla solo se opere en forma directa sobre el o los conductores activos, es decir, si la instalación es del tipo monofásico, la protección deberá ser monopolar; mientras que en el caso trifásico, la protección deberá ser tripolar como mínimo.

-

Neutro flotante (IT). En este caso, el nombre dado por nuestro reglamento eléctrico también es neutro flotante. Respecto a la protección, se exige que se opere y proteja el o los conductores activos, incluido el neutro, según esto, para instalaciones monofásicas la protección deberá ser del tipo bipolar y para el caso trifásico tetrapolar.

-

Neutralización en BT (TNC). Este régimen de neutro, según nuestro reglamento eléctrico NCH 4/84, se conoce como la neutralización para clientes con empalmes de baja tensión, y respecto a la protección termomagnética, el requerimiento es idéntico al descrito para el sistema TT, es decir, solo operación sobre el o los conductores activos (monopolar – tripo lar).

-

Neutralización en AT (TNS). Este sistema de neutro es aplicable solamente al igual que el neutro flotante, a instalaciones que cuenten con un transformador particular. Nuestro reglamento eléctrico nombra a este sistema como: neutralización para clientes con empalme de alta tensión, y respecto a la protección, la exigencia es de protección a o los conductores activos y corte en el conductor de neutro. Según lo anterior, para instalaciones monofásicas, la protección deberá ser monopolar + N, o bien una bipolar; mientras que para el caso trifásico, la proteción deberá ser tripolar +N o en su defecto una tatrapolar.

(*) (*) Un análisis más c om pleto de lo s s istem as d e neut ro, se d esc ribi rá en el A pu nte “Dispos itivos Diferenciales Residuales”.

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3.1.2


Niveles de Cortocircuito

El establecimiento de los niveles de cortocircuito presentes en el punto de ubicación de la protección, determina su poder de ruptura.

La determinación de los niveles de cortocircuito fue dada en el apunte de cálculo de cortocircuitos, pero en general se establece que el poder de ruptura de una protección (su valor comercial), debe ser mayor a la corriente de falla presunta.

3.1.3

Valores Nominales de la Alimentación

Las protecciones vienen diseñadas de fábrica para operar a una tensión y una frecuencia determinadas, según las normas bajo las cuales están construidas.

Si se debe instalar una protección bajo condiciones de tensión y frecuencia diferentes a las establecidas, sus parámetros se verán modificados y no operara según sus características nominales.

Los fabricantes deben proporcionar tablas o gráficos que indiquen las variaciones de parámetros en función de la modificación de condiciones a que ha sido expuesta la protección.

3.2

Características de la Carga

Como sabemos, las características de la carga definen por una lado la sección del alimentador y por otro, la capacidad nominal de la protección del circuito. Pero también es necesario conocer el tipo tipo de carga a proteger para poder realizar una buena elección de protecciones.

El dimensionamiento de la protección termomagnética, esta definido por nuestra reglamentación nacional, y su calculo estará condicionado específicamente por el elemento a proteger. Respecto a esto último, es importante destacar que el ITM es un dispositivo destinado a p roteger especialmente a las líneas de alimentación de las instalaciones, razón por lo cual las características nominales del ITM, estarán condicionadas por las características de los conductores a proteger. I NA C AP C O LO N

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En general, la capacidad nominal de la protección a utilizar en un circuito terminal de carga se determina en función de la siguiente desigualdad:

IN > IB Donde: IN

: Capacidad nominal de la protección (valor comercial en Amperes)

IB

: Corriente nominal de la carga (A)

La corriente nominal de la carga se determina por medio de las siguientes ecuaciones:

(a)

Para el caso de circuitos de alumbrado, enchufes normales y computación:

IB =

PI VF × FP

IB =

PI 3 × VL × FP

(1φ)

(Ec. 3.1)

(3φ)

(Ec. 3.2)

Donde:

(b)

PI

: Potencia instalada (W).

VF

: Tensión de fase (V).

VL

: Tensión de línea (V).

FP

: Factor de potencia de la carga.

Para el caso de circuitos de fuerza:

Para el caso del dimensionamiento de la protección destinada a los circuitos de fuerza que alimentan a equipos de climatización, las ecuaciones a utilizar son las mismas que las a indicar para los circuitos de alimentación a motores. La capacidad nominal de la protección se fijará según la desigualdad indicada para el caso de los circuitos de alumbrado.

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En el caso de los circuitos de fuerza, en donde existan motores, las expresiones a utilizar para la determinación de las corrientes de carga son las siguientes:

IB =

k × HP × 746 VF × η × FP

IB =

(1φ)

k × HP × 746 3 × VL × η × FP

(3φ)

(Ec. 4.1)

(Ec. 4.2)

k = 1,25 para FS ≥ 1,15 k = 1,15 para FS < 1,15 Donde: HP

: Caballos de fuerza del motor (HP).

VF

: Tensión de fase (V).

VL

: Tensión de línea (V).

FP

: Factor de potencia del motor.

η

: Rendimiento.

FS

: Factor de servicio.

Nota: Las expresiones aquí indicadas son de carácter general, y serán aplicables siempre que los resultados de cálculos no transgredían las disposiciones del capítulo 12, sección 12.3 de la NCH 4/84. Para poder asegurar una buena elección de la protección, es necesario recordar que las protecciones termomagnéticas modulares, operan según el tipo de curva de funcionamiento, las que están clasificadas en B, C y D.

Una curva B, por su umbral magnético más sensible, es apropiada para cargas netamente resistivas, por ejemplo, circuitos de alumbrado incandescentes.

La curva C, nos sirve para proteger cargas resistivas y de alumbrado del tipo fluorescentes (inductivo corregido).

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La curva D, protege cargas netamente inductivas que absorban altas corrientes de partida, por lo que se la recomienda para máquinas herramientas y motores.

Para el caso de cargas capacitivas, la Norma IEC 70 admite que toda batería de condensadores debe poder soportar en forma constante una sobrecarga del 30% debida a corrientes armónicas, en consecuencia, los alimentadores y los dispositivos de protección y maniobra se deben sobredimensionar.

Además de la presencia de armónicos, es preciso tener en cuenta que se admite una tolerancia de +10% sobre el valor real de la capacidad, por cuyo motivo, la corriente nominal del magnetotérmico debe ser como mínimo 1,3 veces la corriente de la batería, y en el caso de la curva la recomendación es una tipo D.

3.3

Condiciones de Instalación

Dentro de las condiciones de instalación, la protección termomagnética debe cumplir con las siguientes condiciones:

(a) Debe asegurar la continuidad de servicio. (b) Debe ser capaz de permitir la filiación o back up de protecciones (c) Debe asegurar la protección bajo condiciones condiciones de modificación modificación de parámetros.

3.3.1

Continuidad de Servicio (Selectividad – Coordinación)

Los equipos de protección contra sobreintensidades deben separar rápidamente de la red, los efectos que puede producir un cortocircuito.

La selectividad se refiere a la protección que debe operar frente a una falla desde aguas abajo hacia aguas arriba.

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El estudio de la coordinación establece como se logra esta selectividad, para lo cual, define que las curvas no deben ser tangentes ni tocarse, además, debe evitarse el cruzamiento.

Existen diferentes tipos de conexión de dispositivos de protección, razón por lo cual, se debe tener presente dentro del estudio de la coordinación, la forma en que están dispuestas las diferentes protecciones que pertenecen a un sistema en particular.

Se dice que una protección (B) es selectiva con respecto de otra (A), si al existir una falla aguas abajo de (B), se produce la intervención correcta de (B) y la no intervención de (A). Estos disyuntores están coordinados si además, al no operar (B) en su tiempo normal (por falla en la protección por ejemplo), se produce la operación de (A).

A

B

C

D

O

Figura 17 / Concepto de se lectividad y coordinación

Este concepto de selectividad, 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 falla introduce al resto de la instalación, son mínimas, lográndose la continuidad d e servicio deseada.

Si utilizamos las curvas tiempo / corriente de dos disyuntores, visualizaremos inmediatamente si existe selectividad ampermétrica entre ellos.

Es importante indicar que existen (independiente del método de estudio), dos tipos de selectividad, la total y la parcial.

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t

t

B

B

A

A

Corriente Límite de Selectividad

Sólo A abre

I

Sólo A abre

I

Amb os ab ren

SELECTIVIDAD TOTAL

SELECTIVIDAD PARCIAL

Figura 18 / Tipos de selectividad

Para el primer caso de la figura 18, 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).

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).

Los límites de selectividad para distintas combinaciones de protecciones solo pueden ser dados por los fabricantes. Existe también otra forma de establecer la selectividad entre protecciones, la que se basa en el estudio del tiempo de reacción. Esta forma de selectividad, recibe el nombra de selectividad cronométrica en cortocircuito.

Con mecanismos muy sencillos se pueden obtener retardos intencionados en la apertura en la apertura de los contactos de los magnetotérmicos, con el fin de favorecer su comportamiento selectivo.

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La dificultad de conseguir la selectividad de los magnetotérmicos para cortocircuito no es tanto de orden mecánico, sino que de orden térmico. De hecho si llamamos ∆t al tiempo de retardo introducido intencionalmente, la energía específica propia que pasa por un interruptor con ∆t = 0 sufre un 2

incremento que es por lo menos igual a ICC t.

I

2

∆ t = 30 ms

A t

A

A

Figura 19 / Selectividad cronométrica

Por ejemplo, para un ∆t = 30ms e I CC = 15 KA, se tendrá un incremento de energía específica pasante 2

2

de 6.750.000 A seg. los que deben sumarse a los 2.000.000 A seg. que se dejan pasar para ∆t = 0.

Unas cantidades tales de energía específica pasante solamente se pueden soportar mediante 2

interruptores muy robustos y voluminosos, y por líneas con una sección no inferior a 25 mm . En conclusión, el retardo intencionado solamente es compatible con interruptores generales de gran potencia (caja moldeadas categoría B), y no se puede proponer para aparatos destinados a la protección de los circuitos usuales de distribución, y menos aún, de los circuitos terminales de pequeña sección.

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3.3.2


Asociación de Protecciones

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 acompañamiento. 2

En este caso, las características de los dispositivos deben estar coordinadas de manera que el I t 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.

Para realizar una buena protección de acompañamiento, es necesario aplicar tablas de asociación o afiliación de protecciones entregadas por los fabricantes. Estas tablas están dadas para combinaciones disyuntor – disyuntor y fusible – disyuntor, siendo esta última configuración la más utilizada por el elevado poder de ruptura de los fusibles.

3.3.3

Modificación de los Parámetros de la Protección

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.

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3.3.3.1


Modificación 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.

3.3.3.2

Modificación en Función del Número 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).

Tabla 4 Coeficientes de desclasificación de interruptores (según IEC 439-1) 439-1) Nº de Aparatos Yuxtapuestos

Coeficiente

de 1 a 3 de 4 a 6 de 7 a 9 más de 10

1,0 0,8 0,7 0,6

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A fin de evitar 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. espaciadores.

3.3.3.3

Modificación en Función la Frecuencia de Utilización

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.

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.

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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.

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.).

3.3.3.4

Modificación en Función la Altura Sobre el Nivel del Mar

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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Referencias -

NCH 4/84 Instalaciones Instalacione s Interiores de Baja Tensión Ministerio de Economía Fomento y Reconstrucción

-

Apuntes Curso “Seminario de Protecciones” Depto. de Capacitación Legrand

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Guía Técnica de la Protección Legrand

-

Appareillage électrique d’ installations Catalogue 2000 Legrand

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Protecciones Termomagneticas

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