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PROTECCIÓN CON TOMA DE
TIERRA - RELE DIFERENCIAL

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 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
 

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:

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 eléctricos, 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 colocadas 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 usuario 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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