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.
Este es un fenómeno común en los sistemas eléctricos y ocurre cuando la demanda de corriente supera la capacidad de diseño del circuito o dispositivo.
Para la protección se usa el interruptor automático o el fusible.
Causas de la Sobrecarga
Las causas de la sobrecarga eléctrica 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.
Efectos de la Sobrecarga
Los principales efectos de la sobrecarga eléctrica son:
– Calentamiento excesivo: los cables y componentes eléctricos pueden calentarse excesivamente. Este calentamiento implica el deterioro de los aislantes y la disminución del tiempo de utilidad de los cables.
– Daño a los receptores: pueden reducir la vida útil de los componentes y hasta provocar la destrucción del receptor sobrecargado.
– Interrupciones del servicio: pueden causar la activación de dispositivos de protección como fusibles o interruptores automáticos, provocando interrupciones del servicio eléctrico.
– Riesgo de incendio: el calentamiento excesivo y la degradación del aislamiento pueden aumentar el riesgo de incendios eléctricos.
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.
Mientras que la sobrecarga produce un calentamiento progresivo, el cortocircuito provoca un calentamiento instantáneo, pudiendo alcanzar los cables su temperatura máxima admisible en milisegundos.
Para la protección también se usa el interruptor automático o el fusible.
Causas del Cortocircuito
Las causas del cortocircuito eléctrico 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.).
Efectos del Cortocircuito
Los efectos del cortocircuito eléctrico son similares a los efectos de la sobrecarga, aunque la principal diferencia radica en el valor excesivo de la intensidad de la corriente:
– Efecto electrodinámico: las elevadas corrientes producen campos magnéticos alrededor del conductor, apareciendo fuerzas de atracción o repulsión que pueden destruir cualquier elemento de la instalación.
– Sobrecalentamiento: el calor excesivo en los conductores y componentes del circuito puede dañar el aislamiento de los cables y fundir los componentes.
– Daños a los equipos eléctricos: la corriente tan elevada puede ocasionar daños o la destrucción de los equipos eléctricos conectados al circuito, con especial incidencia en los componentes electrónicos sensibles, que experimentan fallos inmediatos.
– Riesgo de incendio: el sobrecalentamiento de los cables y componentes puede encender materiales inflamables cercanos, provocando incendios. Los cortocircuitos son una de las principales causas de incendios eléctricos.
– Interrupción del suministro eléctrico: los dispositivos de protección, como los magnetotérmicos o fusibles, interrumpen el suministro eléctrico para evitar daños mayores, provocando interrupciones del servicio eléctrico.
La Sobretensión
La sobretensión es un aumento repentino y excesivo de la tensión en un circuito, que supera los valores nominales establecidos. Puede ser transitoria (de corta duración) o permanente (prolongada), dependiendo de su origen.
Para proteger los equipos y la instalación, se utilizan dispositivos de protección eléctrica contra sobretensiones (DPS), que limitan la tensión a valores seguros. También reciben el nombre de limitadores de tensión o descargadores.
Causas de la Sobretensión
Las causas de la sobretensión eléctrica son:
– Descargas atmosféricas: un rayo que impacta cerca de una línea eléctrica o una estructura puede inducir sobretensiones transitorias en el circuito. Estas sobretensiones transitorias pueden propagarse a través de la red eléctrica.
– Conmutaciones de cargas: la conexión o desconexión de cargas inductivas o capacitivas, como motores o bancos de condensadores, genera picos de tensión debido a fenómenos transitorios.
– Fallos en la red eléctrica: fallos en subestaciones o maniobras de operación en la red pueden generar sobretensiones transitorias o permanentes.
– Rotura del conductor neutro: en sistemas eléctricos trifásicos, la rotura del neutro puede provocar un desequilibrio en las tensiones de fase, generando sobretensiones permanentes en algunos circuitos.
Efectos de la Sobretensión
Los principales efectos de la sobretensión eléctrica son:
– Envejecimiento prematuro de equipos: las sobretensiones pueden degradar los componentes eléctricos y electrónicos, reduciendo su vida útil.
– Daños en equipos sensibles: los equipos electrónicos, como ordenadores, sistemas de comunicación y dispositivos de control, son especialmente vulnerables a las sobretensiones.
– Pérdida de datos: en sistemas informáticos y de telecomunicaciones, las sobretensiones pueden provocar la interrupción del servicio y la pérdida de datos críticos.
– Riesgo de incendio: si la sobretensión es de magnitud suficiente puede perforar el aislamiento de cables y bobinas, así como generar arcos eléctricos que pueden fundir los contactos de interruptores, relés o conectores, provocando cortocircuitos.
La Corriente de Defecto a Tierra
Son las corrientes de defecto que se producen debido a un fallo en la instalación eléctrica, como un defecto en el aislamiento de los conductores o un contacto accidental entre un conductor en tensión y una parte metálica (masa) con conexión a tierra.
El valor de las corrientes de defecto a tierra varía significativamente dependiendo del esquema de conexión del neutro utilizado en la instalación eléctrica. Los esquemas de conexión son el esquema TT, el esquema IT y el esquema TN.
1º) En el esquema TT: la corriente de defecto es moderada (del orden de decenas de amperios) y se limita por las resistencias de tierra.
Como la corriente de defecto a tierra no es lo suficientemente alta para activar protecciones como interruptores automáticos, se requiere el uso de interruptores diferenciales (DDR) para detectar y cortar la corriente.
2º) En el esquema IT: la corriente de defecto es muy baja en el primer defecto, pero puede ser extremadamente alta (cientos o miles de amperios) en un segundo defecto.
El esquema IT es muy seguro en el primer defecto, ya que la corriente de fuga es mínima y no representa un riesgo inmediato. Sin embargo, requiere sistemas de monitoreo de aislamiento para detectar el primer defecto y evitar un segundo defecto que podría ser peligroso.
3º) En el esquema TN: la corriente de defecto es muy alta (cientos o miles de amperios) debido a la baja impedancia del bucle de defecto.
La alta corriente de defecto en un esquema TN permite que los interruptores automáticos, magnetotérmicos o fusibles, actúen rápidamente para cortar el suministro. Sin embargo, la alta corriente también puede generar arcos eléctricos y daños térmicos en los equipos y cables.
Causas de la Corriente de Defecto a Tierra
Las causas de la corriente de defecto a tierra son:
– Deterioro del aislamiento: el aislamiento de los conductores puede degradarse con el tiempo. Cuando el aislamiento falla, la corriente puede fluir hacia tierra a través del defecto.
– Contacto accidental: un contacto accidental entre un conductor con tensión y una parte metálica conectada a tierra, como una tubería o la carcasa de un equipo, puede generar una corriente de defecto a tierra.
– Fallos en la instalación: errores en el diseño o la instalación de los sistemas eléctricos, como conexiones flojas o incorrectas, pueden aumentar el riesgo de defectos a tierra.
– Condiciones ambientales: factores como la humedad, la presencia de sustancias corrosivas o la acumulación de polvo pueden deteriorar el aislamiento y aumentar el riesgo de defectos a tierra.
Efectos de la Corriente de Defecto a Tierra
Las efectos que produce la corriente de defecto a tierra son:
– Riesgo de electrocución: puede elevar la tensión de las masas o carcasas de los aparatos a valores peligrosos existiendo el riesgo de que una persona pueda entrar en contacto. Este riesgo es particularmente alto en instalaciones sin dispositivos de protección adecuados.
– Daños a los equipos: dependiendo del valor de la corriente de defecto a tierra, puede causar daños severos en los equipos eléctricos, incluyendo la fusión de componentes, la degradación del aislamiento y el fallo completo del equipo.
– Incendios: si la corriente de defecto a tierra es elevada, puede generar calor excesivo, pudiendo provocar incendios en materiales inflamables cercanos.
– Interrupciones del servicio: las corrientes de defecto a tierra pueden activar dispositivos de protección, como diferenciales, interruptores automáticos o fusibles, causando interrupciones en el suministro eléctrico.
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.
Por tanto, estas corrientes no son debidas a ningún defecto como ocurre con las corrientes de defecto a tierra. Son corrientes 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, garantizando que este pueda soportar las condiciones de operación previstas sin sufrir daños o fallos.
Los valores nominales de los elementos de protección de un circuito eléctrico 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. Esto se debe al transitorio de conexión o cierre, un fenómeno que ocurre al cerrar el dispositivo bajo condiciones anómalas.
El dispositivo de protección debe ser capaz de soportar estas corrientes transitorias sin sufrir daños, como la soldadura de contactos, deformaciones mecánicas o fallos en sus componentes internos. Si el poder de cierre es insuficiente, podría provocar un arco eléctrico, sobrecalentamiento o incluso la destrucción del dispositivo.
Los elementos como los interruptores automáticos o los contactores, tienen un poder de cierre muy elevado. En cambio los fusibles, son dispositivos de protección pasiva cuya función es interrumpir la corriente en caso de sobrecarga o cortocircuito, pero no pueden establecerla. Por lo tanto, el poder de cierre no es un parámetro aplicable a los fusibles.
El Poder de Corte
El poder de corte PdC 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 de los elementos de protección eléctrica en relación con la corriente de cortocircuito máxima que puede ocurrir en su punto de instalación.
Al seleccionar el elemento de protección, el poder de corte debe ser SIEMPRE igual o superior a la corriente de cortocircuito prevista en el punto de instalación.
Si el poder de corte del elemento de protección es insuficiente, es decir, PdC inferior a la corriente de cortocircuito que se produce en el punto de su instalación, las consecuencias pueden ser graves y variarán dependiendo del tipo de dispositivo de protección utilizado:
● Interruptor automático: el mecanismo de disparo no tendrá la capacidad necesaria para interrumpir la corriente. Esto dejará la instalación eléctrica completamente desprotegida, lo que puede derivar en sobrecalentamiento, daños en los conductores, incendios o incluso la destrucción de equipos conectados.
● Fusible: este elemento no podrá interrumpir el circuito de manera segura. La liberación de tan alta energía podrá causar la explosión del fusible, con emisión de llamas, chispas o gases calientes, representando un peligro.
Los fusibles poseen un poder de corte mucho mayor que los interruptores automáticos.
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: los cables unipolares están constituidos por un único hilo conductor con material aislante.
● Multiconductores o multipolares (mangueras): los cables multipolares están 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 eléctrica son: el interruptor automático, el fusible, el interruptor diferencial, el dispositivo de protección contra sobretensiones (DPS) y el disyuntor.
Interruptor Automático
Fusible
Interruptor Diferencial
Dispositivo Protector contra Sobretensiones
Disyuntor
● Interruptor automático: interrumpe el circuito cuando detecta un fallo, evitando así daños en los equipos.
El pequeño interruptor automático (PIA) o magnetotérmico protege frente a sobrecargas y cortocircuitos mediante 2 mecanismos de disparo: uno térmico y otro magnético.
El interruptor automático industrial, además de interrumpir sobrecargas y cortocircuitos muy elevados, incorpora funciones adicionales como protección contra fugas de tierra, control remoto y comunicación, etc.
● Fusible: es un dispositivo simple y efectivo para proteger contra sobrecorrientes (sobrecargas y cortocircuitos), actuando con rapidez, especialmente en cortocircuitos.
Contiene un conductor metálico calibrado que se funde al superar la corriente nominal, interrumpiendo el flujo 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.
● Disyuntor: interrumpe automáticamente la corriente eléctrica en un circuito cuando detecta una sobrecorriente (sobrecarga o cortocircuito) o una fuga a tierra, protegiendo la instalación eléctrica y a las personas de posibles daños.
El disyuntor puede tener diferentes significados según el país y el contexto. En algunos lugares se utiliza para referirse específicamente al interruptor diferencial, mientras que en otros se refiere al interruptor magnetotérmico.
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