Interruptor Diferencial
El interruptor diferencial, también conocido como Dispositivo Diferencial Residual (DDR) o simplemente diferencial, es un dispositivo de protección que se integra en las instalaciones eléctricas para garantizar la seguridad de las personas y equipos contra descargas accidentales por defectos a tierra.
Su función principal consiste en detectar y desconectar rápidamente la corriente eléctrica en caso de que se produzca una fuga hacia tierra, previniendo así electrocuciones y otros accidentes graves.
El funcionamiento del interruptor diferencial se basa en el principio de comparación de corrientes. El dispositivo monitorea continuamente la corriente que “entra” y “sale” de un circuito eléctrico.
En condiciones normales, la corriente que “entra” debe ser igual a la que “sale”. Sin embargo, si se produce una fuga a tierra, una parte de la corriente se deriva hacia el suelo, creando una diferencia entre las corrientes de entrada y salida. El interruptor diferencial detecta esta diferencia y actúa de forma inmediata, cortando la corriente eléctrica para evitar daños.
En definitiva, el diferencial provoca la apertura automática de la instalación cuando la suma vectorial de las intensidades de los conductores que lo atraviesan es distinta de cero y alcanza el valor de su sensibilidad IΔN (parámetro característico de estos elementos de protección).
Índice
- Constitución del Interruptor Diferencial
- Función del Interruptor Diferencial
- Tipos de Interruptores Diferenciales según su Forma de Actuación
- Tipos de Interruptores Diferenciales según su Corriente Nominal
- Parámetros del Interruptor Diferencial
- Interruptor Diferencial Rearmable
- Selectividad del Interruptor Diferencial
- Relación de la Resistencia de Tierra con la Sensibilidad
Constitución del Interruptor Diferencial
El interruptor diferencial está constituido por varios componentes diseñados para garantizar el correcto funcionamiento en caso de derivación a tierra. Básicamente, los elementos que componen el interruptor diferencial residual DDR son los siguientes:
Contactos
Los contactos de un diferencial son los elementos que al unirse o separarse establecen la conexión o corte de corriente.
Están típicamente hechos de materiales conductores como el cobre o la plata y están diseñados para soportar altas corrientes y operaciones de conmutación repetitivas.
Toroide o Toro Magnético
El toroide o toro magnético del interruptor diferencial es un anillo de material ferromagnético atravesado por los conductores que alimentan la instalación (no por el conductor de tierra). El paso de la corriente, tanto por las fases como por el neutro, va a producir flujos magnéticos en este toroide.
Su función es transformar la corriente primaria en una corriente secundaria proporcional, que luego alimenta a la bobina de detección.
Mecanismo de Disparo
El mecanismo de disparo del interruptor diferencial es un dispositivo que permite la apertura o cierre de los contactos de forma automática. Es típicamente un sistema mecánico que utiliza un resorte y un mecanismo de disparo.
Cuando el campo magnético generado por la bobina de detección supera un umbral predeterminado, hará pasar una corriente por un electroimán suficiente para activar el mecanismo de disparo, liberando el resorte y abriendo los contactos.
Bobina de Detección
La bobina de detección del interruptor diferencial está arrollada al toroide y unida al mecanismo de disparo mediante un electroimán.
● Si no existe defecto a tierra Id: las corrientes por las bobinas de fase y neutro son iguales IF = IN, por lo que el flujo resultante será nulo ΦF = ΦN. No se inducirá tensión en la bobina de detección.
● Si se produce un defecto a tierra Id: las corrientes por fase y neutro son diferentes IF ≠ IN, apareciendo en el toroide un flujo resultante o diferencial Φd = ΦF - ΦN. Este flujo, según Faraday, inducirá una f.e.m. (voltaje) en la bobina de detección, que hará pasar una corriente por el electroimán. A su vez, el electroimán accionará el mecanismo de disparo y desconectará la instalación.
El ID abrirá cuando la corriente de defecto a tierra Id supere un valor mínimo llamado sensibilidad IΔN.
En los interruptores diferenciales trifásicos, todos los conductores activos atraviesan el toroide. En trifásica sin neutro, las 3 fases (3 hilos) y en trifásica con neutro, las 3 fases y el neutro (4 hilos).
Botón de Prueba
Con el botón de prueba del interruptor diferencial hacemos pasar artificialmente una corriente diferencial para comprobar la eficacia del aparato, desviando una pequeña cantidad de corriente (superior a la de la sensibilidad) para que IF ≠ IN.
En la figura se observa que, si accionamos el pulsador de prueba, una pequeña parte de la corriente que pasa por la bobina de fase se desviará hacia la resistencia de prueba. Esa pequeña corriente retornará hacia el neutro de la alimentación sin pasar por la bobina del neutro. Esa diferencia de corriente entre ambas bobinas creará un flujo Φd suficiente para que el electroimán haga actuar el mecanismo de disparo.
De este modo, podemos activar el mecanismo de disparo y asegurar que el interruptor diferencial esté funcionando correctamente. Este botón, se suele encontrar ubicado en el panel frontal del interruptor diferencial.
Función del Interruptor Diferencial
Los interruptores diferenciales desempeñan una función esencial en la protección contra contactos indirectos y directos, ofreciendo una barrera de seguridad indispensable en las instalaciones eléctricas.
Protección a Contactos Indirectos del Interruptor Diferencial
El interruptor diferencial protege a las personas contra los contactos indirectos, interrumpiendo el suministro eléctrico cuando se deriva hacia la persona, o a tierra, una corriente de defecto Id superior a la sensibilidad del diferencial (IΔN = 30 mA en viviendas), evitando que esta corriente aumente y ponga en peligro la vida.
Además, si la masa del receptor (envolvente o carcasa) se pone a tierra mediante un conductor de protección, la tensión que aparecerá en la masa, será de valor mucho más bajo al que tiene la fase.
Se observa que la corriente que se deriva a tierra Id se cierra con el transformador mediante la resistencia de la puesta a neutro de este. Hay una diferencia de corriente de valor Id entre la corriente de la fase y del neutro. El ID actuaría si la Id supera la sensibilidad IΔN.
Protección a Contactos Directos del Interruptor Diferencial
El interruptor diferencial también puede proteger a contactos directos, cuando una persona se pone en contacto directamente con una parte activa de la instalación. Por ejemplo, cuando una persona toca accidentalmente una fase de la instalación.
Igualmente, la corriente que se deriva a tierra Id se cierra con el transformador mediante la resistencia de la puesta a neutro de este. Hay una diferencia de corriente de valor Id entre la corriente de la fase y del neutro. El ID actuaría si la Id supera la sensibilidad IΔN.
No obstante, el interruptor diferencial NO siempre nos protege de un contacto directo
Por ejemplo, si una persona está aislada del suelo y hace un doble contacto con el conductor de fase y el conductor de neutro, la corriente que atravesará su cuerpo recorrerá en igual cantidad ambos conductores y, por tanto, el ID no abrirá.
En este caso, la corriente Id se cierra con el transformador por los cables de alimentación no derivándose a tierra por la resistencia de neutro.
El interruptor diferencial NO abriría esa corriente porque, al no existir derivación a tierra, la corriente por la fase y por el neutro sería la misma, no detectando diferencia entre ellas.
El ID también protege la instalación contra defectos de aislamiento y contra riesgos de incendio que sean debidos a una corriente de defecto a tierra persistente que no provoque la actuación del dispositivo de protección contra sobreintensidad (fusible o interruptor automático).
Tipos de Interruptores Diferenciales según su Forma de Actuación
Los interruptores diferenciales se pueden clasificar según la forma de la señal que deba detectarse y el tiempo de disparo.
Elegir el tipo de interruptor diferencial adecuado para una instalación eléctrica es fundamental para la seguridad de las personas y los equipos. Si bien la normativa (salvo para puntos de recarga de VE) no establece una recomendación específica, la selección del tipo de diferencial debe basarse en las características de las cargas conectadas.
El fabricante de cada equipo eléctrico, siguiendo la norma IEC 60755 que clasifica las fugas a tierra según el tipo de carga, proporcionará en sus manuales de instrucciones el tipo de protección diferencial adecuado para su correcto funcionamiento y seguridad.
La responsabilidad del mal uso recae en el usuario final si no se siguen las instrucciones del fabricante.
Aunque existen en el mercado muchos tipos de protección diferencial, los más habituales son los de clase AC, clase A, clase B y Selectivos:
Interruptor Diferencial de Clase AC
Los diferenciales de clase AC son los primeros dispositivos que salieron al mercado, sensibles sólo a fugas de corriente alterna senoidal. Se utilizan en instalaciones eléctricas de propósito general, siendo el tipo más común para uso doméstico.
Funcionan correctamente, siempre que no se incorporen en las redes variadores de frecuencia, arrancadores electrónicos, ordenadores, etc. Estos dispositivos disponen de componentes electrónicos como diodos, tiristores, triacs, que producen corrientes pulsantes y componentes continuas.
Las componentes pulsantes, provocan aperturas intempestivas del ID, sin existir derivación o fuga a tierra.
La componente continua, no provoca la apertura del ID, pero se pueden producir tensiones peligrosas para la persona que no sean detectadas por el ID.
Interruptor Diferencial de Clase A
Los interruptores diferenciales de clase A son también conocidos como superinmunizados. Además de usarse para corrientes senoidales, se usan para resolver el problema de no actuación por las fugas de corriente continua de tipo pulsante.
Este tipo de corriente es generada por equipos electrónicos que rectifican la corriente alterna de la red eléctrica, como balastos de alumbrado, arrancadores, variadores de velocidad, gran cantidad de ordenadores, o cuando se producen picos de intensidad debidos a sobretensiones transitorias (tales como operaciones de conmutación de aparatos o máquinas o también de origen atmosférico, como rayos).
Una fuga a tierra de este tipo de corrientes pulsantes no es detectada por el diferencial de clase AC. Sin embargo, los diferenciales de clase A tienen el núcleo magnético modificado, con lo que se consigue que sí que las detecten.
Además, estos ID incorporan filtros de alta frecuencia, que evitan el disparo intempestivo, analizando la señal antes de provocar la apertura, discriminando entre corrientes de defecto a tierra reales y corrientes causadas por fenómenos externos.
Interruptor Diferencial de Clase B
Los interruptores diferenciales de clase B representan la tecnología de vanguardia en la protección contra corrientes de defecto a tierra. Es el tipo de protección más completa muy utilizado en entornos industriales.
Son interruptores diferenciales que, además de detectar las corrientes que detectan los de clase A, son capaces de detectar corrientes de defecto de corriente continua (DC) producidas por equipos electrónicos como cargadores de baterías o paneles solares. También detectan corrientes de defecto alternas superpuestas sobre una corriente continua (corrientes mixtas).
Además, estos diferenciales detectan corrientes alternas compuestas que incluyen composiciones de onda con frecuencias de hasta 1 kHz.
Interruptor Diferencial Selectivo
Mediante la coordinación selectiva entre interruptores diferenciales, la desconexión se limita al circuito defectuoso, permitiendo que el suministro eléctrico continúe en el resto de la instalación.
Los interruptores diferenciales selectivos, ubicados aguas arriba de la instalación, realizan esta coordinación selectiva con los ID instalados en el cuadro eléctrico, aguas abajo.
A diferencia de los diferenciales estándar, que son de disparo instantáneo, los selectivos ofrecen un retardo en su actuación, permitiendo que el ID más cercano al fallo actúe primero, aislando el problema de forma precisa.
Para lograr una correcta selectividad de desconexión, es necesario instalar uno o más interruptores diferenciales retardados por encima de los diferenciales instantáneos. Estos diferenciales retardados, ubicados aguas arriba, actúan con un retardo programable.
Tipos de Interruptores Diferenciales según su Corriente Nominal
Según la corriente nominal de la instalación los interruptores diferenciales se pueden clasificar en doméstico o en relé diferencial.
Interruptor Diferencial Doméstico
Es el interruptor diferencial clásico utilizado para generalmente para instalaciones domésticas o comerciales con intensidades nominales, usualmente, de hasta 63 A.
A continuación, se muestra el aspecto real de un interruptor diferencial doméstico de la marca “Chint”, en el que se observan sus principales parámetros.
Interruptor Automático Diferencial o Relé Diferencial
El interruptor automático diferencial o relé diferencial se utiliza en instalaciones industriales de elevado consumo que pueden llegar incluso hasta 600 A o más.
Los contactos del ID no pueden abrir instalaciones con elevadas corrientes, pero el relé diferencial sí. Así, se recurre a un transformador toroidal acompañado de un relé diferencial, que se combinan con un interruptor automático que disponga de bobina de disparo.
Cuando el núcleo toroidal detecta el defecto a tierra, la bobina arrollada al toroide activa el relé diferencial. A su vez, el relé diferencial activa su salida conectada a la bobina de disparo del interruptor automático, que provocará la apertura de sus contactos desconectando la alimentación.
Una característica importante de los transformadores toroidales es que están diseñados con diversos diámetros para cubrir toda la gama de intensidades. El relé diferencial es sensible a corrientes de defecto alternas y continuas pulsantes.
En algunos modelos, la regulación de la sensibilidad y tiempo de intervención se realiza mediante pequeños interruptores. Los valores de ajuste regulable suelen ser:
● Sensibilidad: 30 - 100 - 300 y 500 mA, 1, 3, 5, 10 o 30 A
● Tiempo de intervención: 60, 150, 250, 500, 800 ms, 1 o 5 s.
Parámetros del Interruptor Diferencial
Para seleccionar el interruptor diferencial adecuado para una instalación específica, es fundamental comprender y analizar los diversos parámetros que definen su funcionamiento y características.
Tensión Nominal del Interruptor Diferencial
La tensión nominal es el valor de tensión para el que se ha diseñado el interruptor diferencial. Las tensiones nominales para BT son de 230 y 400 V.
La tensión nominal del interruptor diferencial debe ser igual o superior a la tensión de la red eléctrica donde se va a instalar.
Intensidad Nominal del Interruptor Diferencial
La intensidad nominal o calibre se define como la intensidad máxima que el interruptor diferencial es capaz de soportar para la que se ha diseñado.
Su calibre se elige siempre de un valor igual o superior a la intensidad que pueda circular por el circuito donde esté instalado. Si la intensidad que circula supera su calibre, el diferencial corre el riesgo de quemarse.
Los calibres de los diferenciales son los siguientes:
● Interruptor diferencial doméstico: 6, 10, 16, 20, 25, 40, 63 y 80 A (los señalados en negrita son los más utilizados)
● Relé diferencial (para elevado consumo): los valores más usuales son 100, 125, 160, 250, 400 y 600 A.
Sensibilidad del Interruptor Diferencial
La sensibilidad o IΔN es la intensidad mínima de defecto que provoca que el interruptor diferencial realice la apertura del circuito.
Si la diferencia de intensidad entre los conductores activos (fases y neutro) que atraviesan el diferencial llega hasta el valor de la sensibilidad, este abre sus contactos.
Los valores normalizados de sensibilidad IΔN son:
Los valores señalados en negrita son los más utilizados, es decir, 10 mA, 30 mA y 300 mA.
Según el valor de la sensibilidad se clasifican en:
● Alta sensibilidad: los diferenciales con sensibilidad ≤ 30 mA.
● Baja sensibilidad: los diferenciales con sensibilidad > 30 mA.
La norma IEC 60947-2-M establece que un interruptor diferencial debe dispararse con una corriente de fuga que se encuentre entre el 50% y el 100% de su sensibilidad nominal, es decir entre 0,5 a 1 IΔN. Por ejemplo, para IΔN = 30 mA el disparo más bajo estará comprendido entre 15 y 30 mA y para IΔN = 300 mA el disparo más bajo estará comprendido entre 150 y 300 mA.
Número de Polos del Interruptor Diferencial
Esta especificación indica la cantidad de conductores eléctricos que el interruptor diferencial puede proteger.
Los interruptores diferenciales más comunes se comercializan de dos tipos:
– Bipolares (2 polos): protegen cuando hay un defecto a tierra, tanto en la fase como en el neutro.
– Tetrapolares (4 polos): protegen cuando hay un defecto a tierra, tanto en cualquiera de las 3 fases como en el neutro.
Un diferencial tetrapolar puede utilizarse para proteger un receptor trifásico sin neutro, puesto que las tres intensidades de la instalación sumarán “0”.
Ahora bien, para que pueda llevarse a cabo el test con el botón de prueba, es necesario conectar el neutro de la alimentación al terminal N del diferencial, aunque el otro terminal N no se conecte a la carga trifásica.
En el caso de que la alimentación no disponga del neutro podríamos conectar en el terminal N del diferencial cualquiera de las 2 fases que no están conectadas al pulsador de prueba. Por ejemplo, podríamos conectar un conductor desde el terminal 3 o 5 al terminal N. En ocasiones, el fabricante puede requerir que esta conexión se haga mediante una resistencia específica.
Tiempo de Operación del Interruptor Diferencial
Este parámetro representa el tiempo que tarda el interruptor diferencial en desconectar la corriente eléctrica desde el momento en que detecta una defecto a tierra. Hay varios factores que influyen en el tiempo de operación, como la sensibilidad o el tipo de fuga que se produce.
Los fabricantes de interruptores diferenciales especifican el tiempo de operación de cada modelo en sus datos técnicos. Este tiempo puede variar según el diseño y la tecnología del dispositivo, pero no deben superar los tiempos máximos de operación que establecen las normas IEC/EN 61008 y 61009.
Según dichas normativas, deben disparar antes de un umbral de tiempo que depende de la magnitud de la intensidad de defecto a tierra. Así, a mayor corriente de defecto más rápido actúa.
La norma establece los valores de tiempo máximo, según las veces que la corriente de defecto supera el valor de la sensibilidad:
● Para I = IΔN, tiempo t < 300 ms.
● Para I = 2 × IΔN, tiempo t < 100 ms.
● Para I = 5 × IΔN, tiempo t < 40 ms.
Símbolo del Interruptor Diferencial
El símbolo del interruptor diferencial simplificado es el siguiente:
Interruptor Diferencial Rearmable
Un diferencial rearmable es un tipo de interruptor diferencial que, además de detectar y cortar el suministro eléctrico en caso de una fuga de corriente a tierra, tiene la capacidad de restablecer el servicio de manera automática. Son particularmente útiles en situaciones donde la restauración rápida de la electricidad es crítica.
Hay 2 tipos de diferenciales rearmables:
● Diferenciales con rearme limitado: estos modelos realizan un número limitado de intentos de rearme (generalmente tres) antes de cesar sus esfuerzos. Este proceso de rearme se realiza con tiempos específicos entre cada intento para asegurar que la condición que causó la desconexión inicial no persista.
– Primer intento de rearme: 3 segundos después del corte. El objetivo es restablecer la energía rápidamente en caso de que la fuga de corriente haya sido un evento transitorio.
– Segundo intento de rearme: 20 segundos después del primer intento. El objetivo es permitir que cualquier problema transitorio se disipe y ofrecer una segunda oportunidad para restablecer el servicio.
– Tercer intento de rearme: 180 segundos después del segundo intento. El objetivo es proporcionar una última oportunidad para restablecer el servicio antes de considerar la situación como un fallo persistente.
● Diferenciales con rearme ilimitado: estos modelos están diseñados para intentar rearmarse de manera indefinida hasta que logran restablecer el suministro o son desactivados manualmente. Estos dispositivos son adecuados para aplicaciones donde la restauración continua del suministro es crítica, aunque deben ser usados con precaución para no comprometer la seguridad.
Ventajas del Interruptor Diferencial Auto Armable
Estas son las principales ventajas de los diferenciales rearmables:
● Restauración automática del servicio: permite que el suministro eléctrico se restablezca sin intervención manual, minimizando las interrupciones.
● Mejora en la continuidad del servicio: ideal para instalaciones donde es esencial mantener la electricidad, como en sistemas de refrigeración, servidores informáticos, y equipos médicos.
● Reducción de intervenciones manuales: disminuye la necesidad de asistencia técnica inmediata para restablecer el servicio, especialmente útil en ubicaciones remotas o de difícil acceso.
● Aumento de la seguridad: asegura que solo intentará rearmarse si la condición de fallo es transitoria, protegiendo así la instalación y los usuarios.
Aplicaciones del Interruptor Diferencial Rearmable
Los interruptores diferenciales rearmables son especialmente útiles en instalaciones donde un corte de corriente prolongado puede ocasionar importantes perjuicios, como:
● Residencias: protege hogares de cortes prolongados de electricidad, manteniendo en funcionamiento electrodomésticos críticos como frigoríficos, sistemas de climatización o alarmas.
● Comercios: tiendas, restaurantes, supermercados, etc., donde un corte de luz puede afectar a las ventas, la conservación de productos perecederos o a equipos de seguridad.
● Industrias: fábricas, talleres, etc., donde un corte de luz puede detener la producción, generar pérdidas económicas y afectar a la seguridad de los trabajadores.
● Instalaciones remotas: ideal para sistemas eléctricos en zonas rurales o de difícil acceso donde la intervención técnica puede ser demorada.
Selectividad del Interruptor Diferencial
En instalaciones con un solo interruptor diferencial, un defecto a tierra provoca el corte de toda la instalación. Para instalaciones muy extensas esto es inadmisible.
Para evitar problemas con fugas a tierra, se puede instalar un interruptor diferencial principal (A) en el origen de la línea principal y otros diferenciales secundarios (B) en el origen de cada circuito o línea que va hacia cuadros secundarios o terciarios.
En caso de una fuga a tierra, los diferenciales secundarios (B) detectarán el defecto y desconectarán la carga afectada. El interruptor diferencial principal (A) solo actuará si la fuga se produce en los niveles superiores de la instalación o si falla alguno de los diferenciales secundarios (B).
Este sistema permite identificar rápidamente la ubicación de la fuga y minimizar las interrupciones en el resto de la instalación.
Para garantizar la selectividad entre diferenciales, se deben cumplir las 2 siguientes condiciones:
1º) Tiempo de no-actuación: para aislar solo la zona afectada por una fuga a tierra, es necesario que el interruptor diferencial instalado aguas arriba (A) tenga un tiempo de no-actuación mayor que el tiempo de operación del interruptor diferencial situado aguas abajo (B).
Esta condición se cumple con los diferenciales tipo S o con aquellos que tienen un tiempo regulable. El retardo típico en estos modelos oscila entre 50 y 100 milisegundos.
2º) Sensibilidad o intensidad diferencial-residual: para aislar solo la zona afectada, el interruptor diferencial instalado aguas arriba (A) también debe tener una sensibilidad o intensidad diferencial-residual mayor que la del interruptor diferencial situado aguas abajo (B).
En el caso de instalaciones para uso doméstico o análogo, la norma general establece que la sensibilidad del diferencial aguas arriba (A) debe ser al menos 3 veces mayor que la del diferencial aguas abajo (B).
Relación de la Resistencia de Tierra con la Sensibilidad
La sensibilidad del diferencial debe seleccionarse en función de la resistencia de tierra de la instalación.
Cuando haya diferenciales en serie, como tendrán distinta sensibilidad, la resistencia de las tomas de tierra y conductores de protección de las masas RA deberá dimensionarse con el diferencial de mayor valor de sensibilidad (el menos sensible), que es el situado aguas arriba (A).
Así, según la condición del apartado 4.1.2 de la ITC-BT-24, para esquemas TT, debe cumplirse que:
donde:
RA = la suma de las resistencias de la toma de tierra y de los conductores de protección de masas.
Ia = la corriente que asegura el funcionamiento automático del dispositivo de protección. Cuando el dispositivo de protección es un dispositivo de corriente diferencial-residual es la corriente diferencial-residual asignada (la sensibilidad).
U = tensión de contacto límite convencional (50, 24 V u otras, según los casos).
Ejercicios Resueltos del Interruptor Diferencial: Selectividad, Resistencia de Tierra y Sensibilidad
A continuación, se presentan 3 ejercicios resueltos del interruptor diferencial relacionados con la selectividad, así como la relación de la resistencia de tierra con su sensibilidad:
Ejercicio 1: Interruptor diferencial
Ejercicio 2: Interruptor diferencial
Ejercicio 3: Interruptor diferencial
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