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PROTECCIÓN DE LOS
CIRCUITOS ELÉCTRICOS

Toda instalación eléctrica tiene que estar dotada de una serie de protecciones que la hagan segura, tanto desde el punto de vista de los conductores y los aparatos a ellos conectados, como de las personas que han de trabajar con ella.

Existen muchos tipos de protecciones, que pueden hacer a una instalación eléctrica completamente segura ante cualquier contingencia, pero hay tres que deben usarse en todo tipo de instalación: de alumbrado, domesticas, de fuerza, redes de distribución, circuitos auxiliares, etc., ya sea de baja o alta tensión. Estas tres protecciones eléctricas, que describiremos con detalle a continuación son:

a) Protección contra cortocircuitos.

b) Protección contra sobrecargas.

c) Protección contra electrocución.
 

16.1.- PROTECCIÓN CONTRA CORTOCIRCUITOS

Se denomina cortocircuito a la unión de dos conductores o partes de un circuito eléctrico, con una diferencia de potencial o tensión entre si, sin ninguna impedancia eléctrica entre ellos.

Este efecto, según la Ley de Ohm, al ser la impedancia cero, hace que la intensidad tienda a infinito, con lo cual peligra la integridad de conductores y máquinas debido al calor generado por dicha intensidad, debido al efecto Joule. En la práctica, la intensidad producida por un cortocircuito, siempre queda amortiguada por la resistencia de los propios conductores que, aunque muy pequeña, nunca es cero.

I = V / Z ( si Z es cero, I = infinito)

Según los reglamentos electrotécnicos, "en el origen de todo circuito deberá colocarse un dispositivo de protección, de acuerdo con la intensidad de cortocircuito que pueda presentarse en la instalación". No obstante se admite una protección general contra cortocircuitos para varios circuitos derivados.

Los dispositivos mas empleados para la protección contra cortocircuitos son:


Fusibles o cortacircuitos

Los fusibles o cortacircuitos, según se ve en la figura 16.1, no son más que una sección de hilo más fino que los conductores normales, colocado en la entrada del circuito a proteger, para que al aumentar la corriente, debido a un cortocircuito, sea la parte que mas se caliente, y por tanto la primera en fundirse. Una vez interrumpida la corriente, el resto del circuito ya no sufre daño alguno.

Antiguamente los fusibles eran finos hilos de cobre o plomo, colocados al aire, lo cual tenía el inconveniente de que al fundirse saltaban pequeñas partículas incandescentes, dando lugar a otras averías en el circuito.

Actualmente la parte o elemento fusible suele ser un fino hilo de cobre o aleación de plata, o bien una lámina del mismo metal para fusibles de gran intensidad, colocados dentro de unos cartuchos cerámicos llenos de arena de cuarzo, con lo cual se evita la dispersión del material fundido; por tal motivo también se denominan cartuchos fusibles. Los cartuchos fusibles son protecciones desechables, cuando uno se funde se sustituye por otro en buen estado.

Los cartuchos fusibles también pueden mejorarse aplicándole técnicas de enfriamiento o rapidez de fusión, para la mejor protección de los diferentes tipos de circuitos que puede haber en una instalación, por lo cual y dentro de una misma intensidad, atendiendo a la rapidez de fusión, los cartuchos fusibles se clasifican según la tabla 16.1.

TABLA 16.1.- TIPOS DE CARTUCHOS FUSIBLES

   Tipo                                      Según norma UNE                    Otras denominaciones

- FUSIBLES RÁPIDOS ............................... gF ---------------------------gl, gI, F, FN, Instanfus

- FUSIBLES LENTOS ................................. gT ---------------------------T, FT, Tardofus

- FUSIBLES DE ACOMPAÑAMIENTO .. aM --------------------------A, FA, Contanfus

Si llamamos If a la intensidad a la cual ha de fundir un fusible, los tres tipos antes mencionados, se diferencian en la intensidad que ha de atravesarlos para que fundan en un segundo.

Los fusibles lentos funden en un segundo para I = 5 If

Los fusibles rápidos funden en un segundo para I = 2,5 If

Los de acompañamiento funden en un segundo para I = 8 If

Los fusibles de acompañamiento (aM) se fabrican especialmente para la protección de motores, debido a que aguanten sin fundirse las puntas de intensidad que estos absorben en el arranque. Su nombre proviene de que han de ir acompañados de otros elementos de protección, como son generalmente los relés térmicos.

Cada cartucho fusible tiene en realidad unas curvas de fusión, que pueden diferir algo de las definiciones anteriores, dadas por los fabricantes. En la figura 16.2, vemos algunos tipos de cartuchos fusibles, así como unas curvas de fusión orientativas, de los tres tipos existentes.

Los fusibles lentos (gT) son los menos utilizados, empleándose para la protección de redes aéreas de distribución generalmente, debido a los cortocircuitos momentáneos que los árboles o el viento pueden hacer entre los conductores.

Los fusibles rápidos (gF) se emplean para la protección de redes de distribución con cables aislados y para los circuitos de alumbrado generalmente.

Los fusibles de acompañamiento (aM), como ya hemos dicho, son un tipo especial de cortacircuitos, diseñado para la protección de motores eléctricos.

Los cartuchos fusibles de los tipos gF y gT bien elegidos, en cuanto a intensidad de fusión, se emplean también como protección contra sobrecargas, principalmente en instalaciones de alumbrado y de distribución, pero nunca debe de emplearse el tipo aM, ya que éstos, como ya se dijo, están diseñados especialmente para la protección contra cortocircuitos de los motores eléctricos.
 

Interruptores automáticos, magnetotérmicos

Estos dispositivos, conocidos abreviadamente por PIA (Pequeño Interruptor Automático), se emplean para la protección de los circuitos eléctricos, contra cortocircuitos y sobrecargas, en sustitución de los fusibles, ya que tienen la ventaja de que no hay que reponerlos; cuando desconectan debido a una sobrecarga o un cortocircuito, se rearman de nuevo y siguen funcionando.

Según el numero de polos, se clasifican éstos en: unipolares, bipolares, tripolares y tetrapolares. Estos últimos se utilizan para redes trifásicas con neutro.

En la figura 16.3, se ve la parte correspondiente a una fase de uno de estos interruptores, dibujado en sección, para que se vean mejor sus principales órganos internos.

Estos aparatos constan de un disparador o desconectador magnético, formado por una bobina, que actúa sobre un contacto móvil, cuando la intensidad que la atraviesa su valor nominal (In). Éste es el elemento que protege la instalación contra cortocircuitos, por ser muy rápido su funcionamiento, y cada vez que desconecta por este motivo debe de rearmarse (cerrar de nuevo el contacto superior), bien sea manual o eléctricamente.

También poseen un desconectador térmico, formado por una lámina bimetálica, que se dobla al ser calentada por un exceso de intensidad, y aunque mas lentamente que el dispositivo anterior, desconecta el contacto inferior del dibujo. Esta es la protección contra sobrecargas y su velocidad de desconexión es inversamente proporcional a la sobrecarga. Cuando la desconexión es por efecto de una sobrecarga, debe de esperarse a que enfríe la bilámina y cierre su contacto, para que la corriente pase de nuevo a los circuitos protegidos.

Los interruptores automáticos magnetotérmicos, se emplean mucho domésticamente y para instalaciones de Baja Tensión en general y suelen fabricarse para intensidades entre 5 y 125 amperios, de forma modular y calibración fija, sin posibilidad de regulación. Para intensidades mayores, en instalaciones industriales, de hasta 1.000 A o mas, suelen estar provistos de una regulación externa, al menos para el elemento magnético, de protección contra cortocircuitos.

Características de desconexión: Existen varios tipos de estos interruptores automáticos magnetotérmicos o PIA, definidos por sus características de desconexión tiempo-intensidad, en cuanto a la desconexión contra cortocircuitos se refiere (desconexión magnética), para una mejor protección de los distintos tipos de circuitos a proteger. Los tipos que hay actualmente en el mercado son muchos, atendiendo a diversas y variadas normas (EN, UNE, CEI, etc.), por lo cual los vamos a clasificar en dos columnas, en una ponemos los mas antiguos, pero aun muy utilizados, y en la otra los mas actuales, normalizados como EN (norma europea), y siendo In su intensidad nominal y para que desconecten en un tiempo máximo de 0,1 segundos son los referidos en la tabla 16.2.

TABLA 16.2.- TIPOS Y CARACTERÍSTICAS DE LOS PIAs

Mas antiguos                 Normalizados EN 60.898 y 60.947      Límites de desconexión

L ............................................................................................... entre 2,4 y 3,5 In

U ............................................................................................... entre 3,5 y 8,0 In

G ............................................................................................... entre 7,0 y 10 In

B .............................................. entre 3 y 5 In

C .............................................. entre 5 y 10 In

D .............................................. entre 10 y 20 In

MA ........................................... fijo a 12 In

Z ............................................. entre 2,4 y 3,6 In

ICP-M ...................................................................................... entre 5 y 8 In

Otra característica a tener en cuenta, cuando hemos de seleccionar un interruptor magnetotérmico, es su poder de corte en carga, que puede ser distinto dentro de un mismo tipo de curva de desconexión. Los valores de fabricación más normales de la intensidad máxima que pueden cortar, ante un cortocircuito, son: 1,5; 3; 4,5; 6; 10; 15; 20; y 25 KA.

16.2.- PROTECCIÓN CONTRA SOBRECARGAS

Entendemos por sobrecarga al exceso de intensidad en un circuito, debido a un defecto de aislamiento o bien, a una avería o demanda excesiva de carga de la máquina conectada a un motor eléctrico.

Las sobrecargas deben de protegerse, ya que pueden dar lugar a la destrucción total de los aislamientos, de una red o de un motor conectado a ella. Una sobrecarga no protegida degenera siempre en un cortocircuito.

Según los reglamentos electrotécnicos "Si el conductor neutro tiene la misma sección que las fases, la protección contra sobrecargas se hará con un dispositivo que proteja solamente las fases, por el contrario si la sección del conductor neutro es inferior a la de las fases, el dispositivo de protección habrá de controlar también la corriente del neutro". Además debe de colocarse una protección para cada circuito derivado de otro principal.

Los dispositivos mas empleados para la protección contra sobrecargas son:

Para los circuitos domésticos, de alumbrado y para pequeños motores, se suelen emplear los dos primeros, al igual que para los cortocircuitos, siempre y cuando se utilice el tipo y la calibración apropiada al circuito a proteger. Por el contrario para los motores trifásicos se suelen emplear los llamados relés térmicos, cuya construcción, funcionamiento y utilización se verán en el capitulo siguiente.
 

16.3.- PROTECCIÓN CONTRA ELECTROCUCIÓN

Peligros de la corriente eléctrica

Bajo los efectos de una corriente eléctrica, puede sobrevenir la muerte de una persona, por las causas siguientes:

Aunque los cuerpos humanos reaccionan de diferente manera unos de otros y dependiendo de las condiciones del momento, podemos decir que la corriente eléctrica empieza a ser peligrosa, cuando atraviesan el cuerpo humano más de 25 mA, durante más de 0,2 segundos.

Se ha comprobado que la resistencia del cuerpo humano, con piel sana y seca, depende de la tensión que se le aplique, pudiendo variar entre 2.500 y 100.000 ohms. Esta resistencia también disminuye debido a la humedad, la transpiración, las heridas superficiales, al aumentar la masa muscular de las personas, si el contacto es inesperado, etc. También y por causas aun desconocidas se sabe que en las altas frecuencias la corriente eléctrica deja de ser peligrosa para el cuerpo humano (a partir de unos 7.000 Hz aproximadamente), y por tal motivo se emplea mucho en electromedicina.

Debido a todo lo anteriormente expuesto, cuando se hacen cálculos sobre la seguridad contra electrocución, y con el fin de trabajar con un buen margen de seguridad, se considera que la resistencia del cuerpo humano es de 1.000 ohms.

Por eso los reglamentos electrotécnicos fijan como tensiones peligrosas, exigiendo la instalación de protecciones contra electrocución, las siguientes:

Sistemas de protección contra electrocución

Frente a los peligros de la corriente eléctrica, la seguridad de las personas, ha de estar fundamentada en que nunca puedan estar sometidas involuntariamente a una tensión peligrosa. Por tal motivo, para la protección contra electrocución deben de ponerse los medios necesarios para que esto nunca ocurra.

La reglamentación actual clasifica las protecciones contra contactos indirectos, que pueden dar lugar a electrocución en dos clases:

Clase A: Esta clase consiste en tomar medidas que eviten el riesgo en todo momento, de tocar partes en tensión, o susceptibles de estarlo, y las medidas a tomar son:

Clase B: Este sistema que es el mas empleado, tanto en instalaciones domésticas como industriales, consiste en la puesta a tierra de las masas, asociada a un dispositivo de corte automático (relé o controlador de aislamiento), que desconecte la instalación defectuosa.

Por ello se emplean principalmente dos tipos de protecciones diferentes, a saber:

A continuación se describen las dos protecciones mas empleadas, tanto doméstica como industrialmente, que son: El interruptor diferencial y la puesta a tierra de las masas, puesto que casi siempre se emplean redes de distribución con el neutro accesible y puesto a tierra, bien sea directamente o a través de una pequeña impedancia.
 

16.4.- PUESTA A TIERRA DE LAS MASAS

Se denomina puesta a tierra a la unión eléctrica, entre todas las masas metálicas de una instalación y un electrodo, que suele ser generalmente una placa o una jabalina de cobre o hierro galvanizado (o un conjunto de ellos), enterrados en el suelo, con el fin de conseguir una perfecta unión eléctrica entre masas y tierra, con la menor resistencia eléctrica posible, como se ve en la figura 16.4. Con esto se consigue que en el conjunto de la instalación no puedan existir tensiones peligrosas entre masas y tierra.

Con la puesta a tierra se trata que las corrientes de defecto a tierra (Id), tengan un camino más fácil, que el que tendría el cuerpo de una persona que tocara la carcasa metálica bajo tensión. Por tanto como la red de tierras ha de tener una resistencia mucho menor que la del cuerpo humano, la corriente de defecto circulará por la red de tierra, en vez de hacerlo por el cuerpo de la persona, tal como se aprecia en la figura 16.5.

En las instalaciones industriales deben de realizarse tomas de tierra independientes para: las masas metálicas de los aparatos eléctrico, para la conexión de los neutros de los transformadores de potencia y para la conexión de los descargadores o pararrayos.

En las instalaciones domésticas y de edificios en general se conectarán a la toma de tierra:

El tipo de toma de tierra ( con placas, jabalinas, cables, etc.) dependerá generalmente, de la resistencia del terreno y de las dificultades de instalación de uno u otro tipo, para conseguir una baja resistencia de contacto a tierra. El tipo mas empleado tanto doméstica como industrialmente es el que se hace con jabalinas hincadas verticalmente en el terreno, de 1,5 o 2 metros de longitud generalmente.

Existen muchas tablas y fórmulas para calcular las tomas de tierra, según sea el tipo de terreno o el tipo de electrodo empleado, pero son métodos laboriosos y poco exactos, por lo cual lo que se suele hacer en la práctica es medir la resistencia de la toma de tierra una vez realizada, y si aun es grande se coloca una jabalina o varias mas y se mide de nuevo. Estas es mejor colocarlas separadas unas de otras, al menos 2 metros, para conseguir menor resistencia de contacto.
 


Medida de las tomas de tierra

La medida que se debe de efectuar es la resistencia eléctrica existente entre los electrodos de toma de tierra y el terreno propiamente dicho. Esta medida se efectúa con unos aparatos especiales denominados Telurómetros o Medidores de toma de tierra.

Estos aparatos constan de un ohmímetro, preparado para medir bajas resistencias, así como unos circuitos de tensión e intensidad, que se conectan por separado en el circuito a medir, por medio de tres conexiones (la toma de tierra a medir y dos electrodos auxiliares), tal como se ve en la figura 16.6. Las jabalinas o electrodos auxiliares se conectan a una distancia determinada, según el tipo de aparato empleado, para evitar los errores que puedan producir las corrientes erráticas, y el indicador nos dará la medida directa o bien deberemos de ajustarla con un potenciómetro graduado.

La medida debe de efectuarse después de desconectar la red de tierras, de los electrodos, ya que se trata de medir solamente la resistencia que estos hacen con respecto a tierra, y el valor máximo de la resistencia de la toma de tierra ha de estar en consonancia con la sensibilidad del dispositivo de corte empleado.

Si denominamos Is a la sensibilidad del dispositivo de corte (relé diferencial generalmente), expresada en amperios de corriente de defecto a tierra o de fuga, según el tipo de local, la resistencia máxima de la puesta a tierra Rt ha de ser:

- Para locales secos: Rt = 50 V / Is

- Para locales húmedas o mojados: Rt = 24 V / Is

- Para piscinas: Rt = 15 V / Is

O sea cuanto mas sensible sea el dispositivo de corte, tanto mayor puede ser la resistencia de la toma de tierra. No obstante el Reglamento Electrotécnico de B.T. recomienda que, en edificios públicos, viviendas, locales comerciales, etc., esta nunca sea mayor de 37 ohms.

TABLA 16.3.- RELACIÓN ENTRE SENSIBILIDAD Y RESISTENCIA

Sensibilidad del dispositivo
Valor máximo de la resistencia de toma
de tierra
0,03 A
800 Ohms
0,1 A
240 Ohms
0,3 A
80 Ohms
0,5 A
48 Ohms
1,0 A
24 Ohms
 

16.5.- INTERRUPTORES O RELÉS DIFERENCIALES

El interruptor diferencial es un aparato cuya misión es desconectar una red de distribución eléctrica, cuando alguna de sus fases se pone a tierra, bien sea directamente o a través de humedades generalmente. El interruptor diferencial se activa al detectar una corriente de defecto Id, que sea superior a su umbral de sensibilidad Is.

La protección diferencial está basada en la 1ª Ley de Kirchoff, que como ya sabemos dice: "En todo nudo de conductores, la suma de las intensidades que a él llegan, es igual a la suma de las intensidades que de él salen". Esto hace que cuando se produce la derivación a tierra de una fase, exista un desequilibrio entre la suma geométrica de las intensidades de la red; este desequilibrio, que es precisamente la corriente de defecto Id, es lo que detecta el interruptor diferencial, provocando a continuación la desconexión de la red defectuosa.

Los interruptores diferenciales, según vemos en la figura 16.7, constan de un transformador, cuyo primario esta formado por todas las fases de la red, incluido el neutro, que atraviesan un núcleo toroidal (T), y el arrollamiento secundario está formado por una pequeña bobina (S).

El arrollamiento secundario (S) se conecta luego a un relé que actúa sobre el mecanismo de desconexión del interruptor (B). Todo ello se halla contenido en una caja aislante, con bornes de entrada y salida de red, y pueden ser: Monopolares, Bipolares, Tripolares y Tetrapolares, estos últimos para redes trifásicas con neutro distribuido.

Mientras no exista ninguna derivación a tierra en la instalación, la suma geométrica de las intensidades que circulan por los conductores, será igual a cero (Id = 0), permaneciendo el interruptor cerrado. Por el contrario cuando exista una derivación a tierra de una fase, aparece una corriente de defecto o fuga Id, que induce una corriente en el secundario del transformador toroidal; cuando la corriente de defecto Id sea igual o mayor que la sensibilidad del interruptor Is, el mecanismo de desconexión abre el interruptor. Una vez reparada la avería, el interruptor diferencial debe de cerrarse manualmente.

En la figura 16.8, se explica el funcionamiento, con un ejemplo monofásico, muy fácil de entender.

Así a la vista del dibujo, en el cual la primera figura representa la red en buen estado y la segunda con la fase S a tierra, tenemos:


Ensayo de funcionamiento

Para verificar el correcto funcionamiento de los interruptores diferenciales, estos poseen un pulsador de prueba Pp, que al pulsarlo cortocircuita dos fases, a través de una resistencia, que permite el paso de una corriente algo mayor a la sensibilidad del interruptor Is, con lo cual al provocar un desequilibrio entre las fases origina la desconexión del mismo.

Sensibilidad de los interruptores diferenciales

Los interruptores diferenciales se fabrican para muchos valores de sensibilidad (Is), según sea la longitud de las lineas a proteger y el tipo y condiciones de la instalación, incluso se fabrican con sensibilidad ajustable, para que el utilizador la adapte a su instalación.

No obstante los empleados domésticamente y en instalaciones de poca potencia, que se suelen fabricar compactos y para intensidades nominales de entre 5 y 125 A, suelen tener dos tipos de sensibilidad fija sin posibilidad de ser modificada. Estas son:

Los primeros, que son los mas utilizados, y se deben de emplear en las instalaciones con puesta a tierra; mientras que los segundos, se podrían emplear incluso en instalaciones sin puesta a tierra, debido a la pequeña corriente de fuga que necesitan para su desconexión.

Los interruptores diferenciales de gran potencia, de 150 a mas de 1.000 A, que se emplean para la protección de las instalaciones industriales de gran potencia y baja tensión, suelen tener sensibilidad ajustable en escalones, siendo los valores mas normales: 0,03; 0,1; 0,3; 0,5, 0,8; 1 y 2 A.
 
 

16.6.- INTERRUPTORES DIFERENCIALES INDUSTRIALES

Estos interruptores, que como ya dijimos suelen tener la sensibilidad ajustable, suelen fabricarse en dos partes: Por un lado se monta el transformador toroidal, que suele ser de gran tamaño, sobre la red a proteger y aparte se monta el relé diferencial, que incluye todos los elementos de desconexión y verificación de funcionamiento, tal como se ve en la figura 16.9.

Dependiendo de la potencia del interruptor, el bloque que contiene los elementos de desconexión, puede contener también el interruptor propiamente dicho, o bien actuar sobre el interruptor automático de la red, al igual que el resto de las protecciones.
 

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