Elementos de Protección Eléctrica
Las instalaciones eléctricas se diseñan para proporcionar energía segura y fiable a los usuarios. Sin embargo, existe el riesgo de que se produzcan fallos en los circuitos eléctricos que puedan causar daños a las personas, a los equipos y a las instalaciones. Por ello, se utilizan elementos de protección eléctrica con diferente propósito.
Es importante elegir los elementos de protección adecuados y mantenerlos en buen estado para que puedan cumplir con su función correctamente.
Por otro lado, la comprensión de las definiciones relacionadas con los elementos de protección de las instalaciones eléctricas es esencial para garantizar la seguridad.
Con el objetivo de abordar el estudio de estos dispositivos de protección, comenzaremos definiendo algunos términos esenciales.
Después estudiaremos los principales elementos de protección de una instalación eléctrica: el interruptor automático (IA), el fusible, el interruptor diferencial (ID) y el dispositivo de protección contra sobretensiones (DPS).
Contenidos
La Sobrecarga
La sobrecarga es una sobreintensidad que se produce cuando la corriente que circula en un circuito es superior a la nominal o admisible, sin que haya defectos de aislamiento.
Provoca en los conductores elevación de la temperatura. Esto implica el deterioro de los aislantes y disminución del tiempo de utilidad de los cables.
Para la protección se usa el interruptor automático o el fusible (condiciones de protección contra sobrecargas en guía técnica de ITC-BT-22).
Las causas de la sobrecarga son:
– Sobreutilización de la instalación: sobrecarga o exceso de uso en la instalación, al conectar equipos de mayor potencia a la prevista.
– Fenómenos transitorios: aumento de consumo por fenómenos transitorios, especialmente en el arranque de ciertos equipos, como los motores o lámparas de descarga.
– Sobreutilización de receptores: uso excesivo de equipos, que operan por encima de su potencia nominal, como puede suceder con los motores.
El Cortocircuito
El cortocircuito es una sobreintensidad que se produce cuando 2 puntos de distinta tensión se unen accidentalmente, provocando una corriente muy elevada debido a la baja impedancia del contacto.
Provoca en los conductores un fuerte calentamiento pudiendo alcanzar su temperatura máxima admisible en milisegundos, llegando a destruirse (efecto térmico).
Además, las elevadas corrientes producen campos magnéticos alrededor del conductor, apareciendo fuerzas de atracción o repulsión que pueden destruir cualquier elemento de la instalación (efecto electrodinámico).
Para la protección se usa el interruptor automático o el fusible (condiciones de protección contra cortocircuitos en guía técnica de ITC-BT-22).
Las causas del cortocircuito son:
– Fallos de aislamiento: deterioro del aislamiento por envejecimiento, exposición a agentes externos (humedad, calor, productos químicos, etc.), daños mecánicos (rozaduras, cortes, etc.) o sobreesfuerzos eléctricos.
– Fallos en los receptores: averías internas en los equipos (motores, electrodomésticos, etc.) o conexiones defectuosas (cables pelados, conexiones mal realizadas, conexiones sueltas, empalmes defectuosos, etc.).
La Sobretensión
La sobretensión es un aumento repentino y excesivo de la tensión en un circuito, que supera los valores nominales establecidos. Este fenómeno puede ser causado por factores externos, como rayos o conmutaciones de cargas, o por fallos internos en la instalación, como la rotura del neutro.
Las consecuencias de las sobretensiones pueden ser graves, incluyendo el envejecimiento prematuro de equipos, incendios, pérdida de datos e interrupciones en el suministro eléctrico.
Para proteger los equipos y la instalación, se utilizan dispositivos de protección contra sobretensiones (DPS), que limitan la tensión a valores seguros. También reciben el nombre de limitadores de tensión o descargadores.
La Corriente de Defecto a Tierra
Son las corrientes de defecto que se producen debido a un fallo en la instalación eléctrica, como un fallo en el aislamiento de los conductores o un contacto accidental entre un conductor en tensión y una parte metálica con conexión a tierra.
Por ejemplo, cuando un cable pelado con tensión entra en contacto con una tubería metálica conectada a tierra.
Estas corrientes pueden ser de gran intensidad y pueden causar daños a las personas, a los equipos eléctricos y a las instalaciones.
Para la protección se usa principalmente el interruptor diferencial o dispositivo diferencial residual (DDR).
La Corriente de Fuga a Tierra
En todas las instalaciones eléctricas, de forma inevitable, se producen corrientes de fuga a tierra naturales, debido a la capacidad entre los conductores eléctricos y la tierra. Por ejemplo, la corriente que fluye a través del aislamiento de cables en perfectas condiciones.
Estas corrientes son de baja intensidad y no son peligrosas para las personas. No obstante, pueden tener un impacto significativo en el funcionamiento y la seguridad de la instalación.
La longitud del conductor es un factor importante a considerar en el diseño y mantenimiento de instalaciones eléctricas, ya que influye directamente en el valor de la corriente de fuga. A mayor longitud del conductor, mayor capacidad y, por tanto, mayor corriente de fuga.
Estas corrientes no suelen llegar a disparar el interruptor diferencial, aunque depende de la sensibilidad de este y de la longitud de la instalación eléctrica. En cambio, corrientes de fuga elevadas pueden provocar el disparo intempestivo del interruptor diferencial, interrumpiendo el suministro eléctrico.
El Valor Nominal
El valor nominal se define como la capacidad de un dispositivo de protección para operar en condiciones normales de funcionamiento.
Este valor se expresa en unidades de medida específicas tales como tensión, intensidad y frecuencia con los que el dispositivo puede funcionar permanentemente sin provocar efectos perjudiciales, según indicaciones del fabricante.
El valor nominal es fundamental para la selección adecuada de un elemento de protección eléctrica, ya que garantiza que este pueda soportar las condiciones de operación previstas sin sufrir daños o fallos.
Los valores nominales de los elementos de protección eléctrica están estandarizados y regulados por normas nacionales e internacionales, como las normas IEC y UNE.
El Poder de Cierre
El poder de cierre de un dispositivo es la intensidad máxima de corriente que puede establecer al cerrarse, bajo una tensión específica y en condiciones de uso y funcionamiento predefinidas. El poder de cierre se da en kA.
Cuando se cierra un elemento de protección, existiendo una anomalía en la instalación eléctrica, la intensidad de la corriente puede ser mayor de lo normal durante un breve periodo. Esto se debe al transitorio de conexión o cierre, un fenómeno que ocurre al cerrar el dispositivo bajo condiciones anómalas. El dispositivo debe ser capaz de soportar esta intensidad sin dañarse.
El Poder de Corte
El poder de corte de un dispositivo es la intensidad máxima de corriente que es capaz de interrumpir o abrir, bajo una tensión determinada y en las condiciones prescritas de empleo y funcionamiento. El poder de corte se da en kA.
Si el poder de corte del elemento de protección es inferior a la corriente de cortocircuito que puede circular en la instalación, el elemento podría fallar al interrumpir la corriente, poniendo en riesgo la seguridad de la instalación.
Es fundamental considerar el poder de corte del elemento de protección en relación con la corriente de cortocircuito máxima que puede ocurrir en su punto de instalación.
La Intensidad Máxima Admisible Iz de un Conductor
Un conductor que transporte corriente, siempre generará calor. Si este es excesivo, podría dañar el aislante del conductor.
Un aumento de la sección del conductor siempre disminuirá el calor producido por el mismo.
También afectará el tipo de conductor (cobre o aluminio), la forma de instalar los conductores (empotrado bajo tubo, directamente sobre pared, sobre bandeja perforada, etc.), o la forma de agrupar los conductores, que pueden ser:
● Unipolares: constituidos por un único hilo conductor con material aislante.
● Multiconductores o multipolares (mangueras): compuestos por varios conductores unipolares recubiertos por una cubierta exterior común (bipolares: 2 conductores, tripolares: 3 conductores, etc.).
La intensidad máxima admisible Iz de un conductor, para instalaciones no enterradas, se obtiene de la tabla de la ITC-BT-19:
NOTA: En esta tabla se indican como 3x los circuitos trifásicos y como 2x los monofásicos o de CC. Los cables con aislamiento termoplástico a base de poliolefina (Z1) son equivalentes a los cables con PVC o policloruro de vinilo (V).
Ejemplo: Tenemos un circuito monofásico con un cable de conductores unipolares, de sección de 10 mm2 de cobre, con aislamiento de PVC, instalado en tubo en montaje superficial. ¿Cuál es su corriente máxima admisible Iz?
Al ser de conductores unipolares y en tubo superficial, vemos que corresponde el montaje de la fila B1. Al ser monofásico con cable de PVC, nos desplazaremos hacia la derecha de la fila B1, hasta la celda 2x PVC. Ahora nos desplazamos hacia abajo y vemos que corresponde la columna 6a. Por tanto, la sección de S = 10 mm2 de cobre, tendrá una Iz = 46 A.
Principales Elementos de Protección Eléctrica
Los principales elementos de protección de una instalación eléctrica son: el interruptor automático (disyuntor), el fusible, el interruptor diferencial y el dispositivo de protección contra sobretensiones (DPS).
Cada uno cumple funciones específicas en la protección frente a sobrecorrientes (sobrecargas y cortocircuitos), fallos de aislamiento y sobretensiones.
● Interruptor automático: el interruptor automático magnetotérmico o pequeño interruptor automático (PIA) protege frente a sobrecargas y cortocircuitos mediante 2 mecanismos de disparo: uno térmico y otro magnético.
En cambio, el interruptor automático industrial, además de ser capaz de interrumpir corrientes de sobrecarga y de cortocircuito muy elevadas, incorpora funciones adicionales como protección contra fugas de tierra, control remoto y comunicación, etc.
El interruptor automático interrumpe el circuito cuando detecta un fallo, evitando así daños en los equipos.
● Fusible: es uno de los dispositivos más simples y efectivos para protección contra sobrecorrientes (sobrecargas y cortocircuitos), actuando con rapidez, especialmente, en caso de cortocircuito.
El fusible contiene un conductor metálico calibrado que se funde cuando se supera la corriente nominal del circuito, interrumpiendo así el paso de corriente y protegiendo los componentes del circuito.
● Interruptor diferencial: protege contra corrientes de defecto o de fuga, evitando que una persona pueda recibir una descarga en caso de fallo en el aislamiento de un equipo.
El diferencial compara la corriente que entra en el circuito con la que sale. Si hay una diferencia superior al umbral de sensibilidad del interruptor (típicamente 30 mA en instalaciones domésticas), se produce la desconexión inmediata del circuito.
● Dispositivo protector contra sobretensiones (DPS): protege los equipos conectados a la instalación eléctrica de los picos de voltaje, como los producidos por tormentas eléctricas o maniobras en la red.
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