tecnologia electrica 1_2

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Segunda edici6n: fcbrcro 2002

<í-1 Jose Roger, Martiii Ricra y Carlos Roldhn

O EDITORIAL S~NTESIS, S. A. Vallelierinoso, 34. 2801 5 Madrid

Teléfono: 91 593 20 98

Depósito legal: M. 3.7 19-2002 ISBN: 84-7738-767-2

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o cualquier otro, sin la autorización previa por escrito de Editorial Síntesis, S. A.

Prólogo

i!) Generación y distribución de energía eléctrica 13 'u .- ~

1.1. Introducción 1.2. Centrales generadoras 1.3. Transporte de la energía eléctrica 1.4. Instalaciones receptoras 1 .S. Redes de distribución en corriente continua 1.6. Simbología. Diagramas unifilares

2 h p a r a m e n t a eléctrica de baja tensión

2.1. Introducción 2.1.1. Definiciones y características de la aparamenta eléctrica

1 2 1.2. Magnitudes de definición comunes a la aparamenta de conexión

\.>2.2. Interruptores automáticos 2.2.1. Disparadores 2.2.2. Características de los interruptores automáticos

ri 2.3. Interruptores "magnetotérmicos" , 2.4. Fusibles

2.4.1. Principio de funcionamiento de los fusibles 2.4.2. Denominación de los fusibles 2.4.3. Fusibles limitadores 2.4.4. Aplicaciones de los fusibles

2.5. Contactores 2.5.1. Clases de contactores 2.5.2. Características de los contactores 2.5.3. Contactores con semiconductores 2.5.4. Aplicaciones del contactor

2.6. Interruptores y relés diferenciales 2.6.1. Fundamentos de la protección diferencial 2.6.2. Sistema de detección 2.6.3. Interruptor diferencial

2.6.4. Transformatlor y rele diferencial 2.6.5. Aplicaciones de la protección diferencial

3. :Instalaciones de puesta a tierra

Introdiicción Paráinetros que caracterizan una instalación de puesta a tierra Finalidad de las puestas a tierra en los sistemas eléctricos

3.3.1. Puesta a tierra del neutro de transformadores y generadores 3.3.2. Puesta a tierra de las masas 3.3.3. Puesta a tierra de elementos de protección (pararrayos

y seccionadores de puesta a tierra) Instalaciones de puesta a tierra a considerar en el diseño de una planta industrial

3.4.1. Puesta a tierra de las masas de tensión 3.4.2. Puesta a tierra del neutro del transformador 3.4.3. Puesta a tierra de las masas del centro de transformación 3.4.4. Puesta a tierra del neutro de la red dc alta tensión que alimenta

el centro de transformación Esquenias de distribución cn baja tensión Cálculo de la resistcncia de una puesta a tierra

3.6.1. Cfilculo prfictico de la resistencia de puesta a tierra 3.6.2. Estimacióii de la resistividad del terreno

Estructura y dimensionado de la instalación de puesta a tierra de las masas de ba.ja tensión

3.7.1. Electrodos 3.7.2. Liiieas de enlace con tierra 3.7.3. Puntos de puesta a tierra 3.7.4. Líneas principales de tierra 3.7.5. Derivaciones de la línea principal de tierra 3.7.6. Conductores de protección

Estructura y dimensionado de la puesta a tierra de las masas del centro de transformación

3.8.1. Líneas de tierra 3.8.2. Electrodos

Estructura y dimeiisionado de la puesta a tierra del neutro del transformador

3.9. l . Línea de enlace con tierra 3.9.2. Electrodos

Sistemas de puesta a tierra independientes; separación entre las distintas tomas de tierra de una planta industrial

3.10.1. Separación entre la toma de tierra de las masas del centro de transformación y la toma de tierra de las masas de BT

3.10.2. Separación entre la toma de tierra de las masas del centro de transformación y la toma de tierra del neutro 123

3.10.3. Posibilidad de unir los sistemas de puesta a tierra de las masas del centro de transformación y del neutro 125

;'k '-3.1 l. Instalaciones de puesta a tierra y corrosión 125 3.12. Medida de los parámetros básicos de las instalaciones de puesta

a tierra 126 3.12.1. Medida de la resistencia de puesta a tierra 126 3.12.2. Medida de la resistividad del terreno 128 3.12.3. Medida de las tensiones de paso y de contacto aplicadas 128

4.) Protección frente a contactos directos e indirectos

4.1. Introducción 4.2. Peligrosidad de la corriente eléctrica. Reglas de seguridad

4.2.1. Efectos fisiológicos de la corriente 4.2.2. Factores que influyen en la peligrosidad de la corriente 4.2.3. Resistencia (impedancia) del cuerpo humano 4.2.4. Reglas de seguridad

4.3. Concepto de contacto directo e indirecto 4.4. Protecci6n frente a contactos directos

4.4.1. Sistemas que protegen frente a todo contacto dirccto (accidental o intencionado)

4.4.2. Sistemas que protegen frente a contactos directos accidentales 4.4.3. Protección complementaria frente a contactos directos

utilizando interriiptores diferenciales de alta sensibilidad 4.5. Protección frente a contactos indirectos 4.6. Sistemas de protección frente a contactos indirectos basados en el corte

automático de la alimentación en caso de defecto 4.6.1. Condiciones generales para garantizar la seguridad en

instalaciones protegidas mediante corte automático de la alimentación

4.6.2. Protección en instalaciones con esque& de distribución TT 4.6.3. Protección en instalaciones con esquema de distribución TN 4.6.4. Protección en instalaciones con esquema de distribución TT

4.7. Otros sistemas de protección frente a contactos indirectos. sin corte de la alimentación 4.7.1. Protección mediante el empleo de materiales eléctricos

de clase 11, o con aislamiento equivalente 4.7.2. Protección en locales o emplazamientos no coiiductores 4.7.3. Protección por conexiones equipotenciales no conectadas a tierra 4.7.4. Protección por seccionamiento eléctrico \''}'L 4.7.5. Protección por muy baja tensión de seguridad

./\-1'?

S. Canalizaciones elbctricas - - - - - - - --

5. l . Introducción 5.2. Estructura de los cables aislados

5.2.1. Principales conductores 5.2.2. Aislantes 5.2.3. Armaduras y pantallas 5.2.4. Cubiertas

5.3. Aplicaciones de los cables 5.4. Parámetros eléctricos de los conductores 5.5. Caída de tensión en conductores en corriente alterna 5.6. Calentan~iento de los conductores 5.7. Datos de partida para el diseño de una instalación

5.7.1. Características de los receptores 5.7.2. Previsión de la demanda 5.7.3. Características del suministro 5.7.4. Disposición física de los elementos de la instalación

5.8. Diseño inicial. Selección de materiales 5.9. Dimensionamiento de conductores por criterio térmico S. 10. Dimensionamiento de cond~ictores por caída de tensión 5.1 1. Dimensionamiento por criterio de rendimiento energético 5.12. Dimensionamiento de ti.ibos y canales protectores

6 . Protección de instalaciones frente a sobreintensidades y sobretensiones - --

215 . -~ - -

6.1. Introducción 215 0.2. Protección contra sobrecargas 2 17

6.2.1. Fundamento de la protección frente a sobrecargas. Dispositivos de protección 215

6.2.2. Condición práctica de protección frente a sobrecargas; coordinación entre conductores y dispositivos de protección 220

6.2.3. Protección del conductor neutro 222 6.2.4. Situación de los dispositivos de protección frente a sobrecargas 223

0.3. Protección contra cortocircuitos. Conceptos generales 225 6.4. Cálculo de corrientes de cortocircuito en instalaciones de baja tensión 227

6.4. l . Parámetros característicos de las corrientes de.cortocircuito 227 6.4.2. Tipos de cortocircuitos 229 6.4.3. Cálculo de cortocircuitos tripolares alimentados exclusivamente

desde la red 230 6.5. Selección de los dispositivos de protección frente a cortocircuitos 240

6.5.1. Protección mediante interruptor automático 244 6.5.2. Protección mediante fusible 247 6.5.3. Protección mediante combinación fusible-interruptor automático 249

6.5.4. Protección mediante la combinación fiisible-relé térmico-contactor

6.6. Protección frente a sobretensiones

7. Instalaciones de alunibrado

Introducción Magnitudes y unidades Elenlentos de las instalaciones de alumbrado

7.3.1. Lámparas 7.3.2. Equipos auxiliares 7.3.3. Luminarias

Diseño de las instalaciones 7.4.1. Uniformidad 7.4.2. Deslumbramiento 7.4.3. Iluminancia Iiorizontal 7.4.4. Cálculo de la iluminancia vertical

Alumbrado público Alumbrado con proyectores Alumbrado con fibra óptica Iluminación y climatización Medida de iluminancia Aplicaciones especiales de las lámparas

i 8~Compensac ibn de energia reactiva

- - ..

Introducción: Necesidad de la compensación Complemento por energía reactiva Forinas de compensacióii Demanda de potencia reactiva de los diferentes elen~eritos consumidores

8.4.1. Máquinas asíncronas 8.4.2. Transformadores 8.4.3. Lámparas para alumbrado 8.4.4. Otros equipos consiirnidores de energía reactiva

Cálculo de la potencia reactiva a compensar 8.5.1. Instalación en fase de proyecto 8.5.2. Instalación en funcionamiento

Determinación de los condensadores a emplear. Cálculo de la capacidad Consideraciones prácticas en las instalaciones con condensadores Regulación automática de potencia reactiva

1

1

/ ,..

l . . .;

O. Centros de transformación

9.1. Iritrodi~cción 9.2. Composición general de un centro de transformación 9.3. Tipos de celdas y elementos que la integran 9.4. Canalizaciones 9.5. Detenninación de la sección de los conductores y cálculo de aisladores

9.5.1. Sección de los conductores 9.5.2. Calculo de aisladores 9.5.3. Ejemplo de cálculo de un embarrado

9.6. ' Aparamenta y equipos utilizados en un centro de transformación 9.6.1. Transformadores de potencia 9.6.2. Aparamenta de maniobra y cortc 9.6.3. Fusibles (UNE 2 1 - 120) 9.6.4. Transformadores de medida y proteccihn ( U N E 21-088) 0.6.5. Pararrayos (UNE 21-087) 9.6.6. Accesorios para cables 9.6.7. Envolventc (UNE 20-099, UNESA 6404 y 6407)

7 cjeniplo: cálciilo de uii centro de traiisforniación

Anexos 363 - --- -- -

Anexo 1 . Est~idio de la distribiición de potenciales originada por un clectrodo seiniesfCrico 365

Ancxo 2. Relación entre las tensiones de paso y de contacto con las respectivas tensiones aplicadas. Justificación de los valores admisibles 360

Aricxo 3. Justificación de las expresiones utilizadas en el cálculo tle la corrietitc de cortocirc~iito en bornes de iin transformador 369

Bibliografía 377

Prólogo

El principal objetivo de este libro es servir de texto para los aliimnos de la asignatura troiical "Tecnología Eléctrica", de la carrera de Ingenieria Indristrial. Eii conseciiencia. cubre todas las materias especificadas en los descriptores de esta asignatiira, pero hacieii- do énfasis sobre todo en los aspectos relacionados con la operacibii y diseíio de instalaciones eléctricas de plantas industriales de taiiiaíio medio, que es el tipo de iiistalacióii que coii más frecuencia van a encontrar los alumnos en el ejercicio profesional.

Asimismo. se ha procurado que el texto resulte de utilidad para los ~>r«fesioiiales cliic

pretendan desarrollar su actividad en el cainpo de las instalaciones eléctricas, fiindarneii-- taliiiente de baja tensión.

Por estas razones se ha realizado iin importante esfiierzo para conseguir un equilibrio entre los contenidos de tipo conceptual y los aspectos de tipo practico, qiie sea adccuado para los alumnos de esciielas superiores y para el ejercicio profesional.

Los conociniientos de tipo conceptual son impresciiidibles para foriiiar Técnicos cori capacidad de análisis y de autoforinación. No obstante, tainbiéii es preciso conocer niiriic- rosos aspectos de tipo práctico y normativo para aplicar la tecnologia a instalaciones rea- les. La ripida evolución tecnológica actual liaría que estos iiltiinos aspectos quedaran obso- letos eii breve tiempo si no se contara con la base conceptual adecuada para facilitar la adaptación a estos cambios.

Al tratarse de una asignatura troncal, la materia impartida debe proporcionar una For- mación suficiente para que los aliirnnos sean capaces de abordar los problemas rel;icionii- dos con las instalaciones eléctricas que inevitablemente se les vaii a presentar diiratitc sir actividad laboral, sea cual sea su caiiipo de especialización.

El libro se centra básicamente en el estudio de las instalaciones elkctricas de plantas industriales con acometida en ba-ja y alta tensión, hasta el nivel deiioiiiinado en la prhctica media tensión. y pretende quc el lector alcance los siguientes objetivos:

- Conocer los elementos que integran las instalaciones eléctricas tle edificios y plantas industriales (aparamenta, conductores, canalizacioiies, cuadros...), incluyendo los paráinetros necesarios para sil correcta especificación.

- Conocer la estructura de las instalaciones eléctricas citadas y los procedimieiitos de cálculo necesarios para el dimensionado y la selección de los ecluipos, iiicliiyeiitln las bases físicas en que se fundamentan tales procedimientos.

El principal inconveniente que encuentran los alumnos en estas clases y, posterior- mente, en el desarrollo de proyectos que incluyan instalacioties eléctricas es el desconoci- miento de los aparatos que forman parte de esas instalaciones, en cuanto a su funcionamiento, prestaciones, idoneidad para casos concretos, etc. La información disponible sobre estos temas está muy dispersa en libros, catálogos, informaciones técnicas, revistas, regla- rnentos y normas, siendo difícilmente abordable por los alumnos que se acercan a ellos por piiiiiera vez.

Con este texto, resultado de la experiencia obtenida por los autores a lo largo de sus itños de docencia, de la realización de gran número de cursos postgrado y de trabajos en la industria, se ha pretendido concretar esa información de acuerdo con las necesidades y el nivel de los lectores a los que va dirigido. La concreción de los temas ha sido una premisa que 110s impusimos los autores desdc el inicio de la elaboración del libro. No obstante, se recomienda, a los lectores interesados en aspectos particulares de cada tema, s ~ i ampliación ieciirriendo a la bibliografia citada, a la información técnica que facilitan los fabricantes, ti1 estudio de normas y reglamentos (a los que se hace referencia constantemente en cl ~cxio), etc.

Para finalizar, queremos agradecer a D. David Alfonso y a D. Antonio Juncos su cola- Ooraciíin en la tarea de preparación del texto y de las figuras.

Generación y distribucibn de energia elbctrica

1.1. Introducción

En este capítulo se ofrece una visibn general del sistema eléctrico en su conjuiito, desde la generación de la energía eléctrica hasta su distribución a los usuarios finales. El objetivo de este tema no es realizar un estudio detallado de los sisteiiias eléctricos (le potencia (mis propio de una asignatura de especialidad), sino dar unas ideas generales que permitan entender cómo se produce, se transporta y se distribuye la energia eléctrica hasta llegar al usuario final. De esta forma se facilitará la cornpreiisióii tle algunos coiiccptos desarrollados en los capítulos siguientes.

De manera breve se va a repasar la evolución histórica de las instalaciones eléctricas, desde su origen hasta la actualidad.

La evolución técnica actual está basada en la utilización de la energía. Cada kW de potencia que el hombre utiliza le permite aumentar en más de 10 veces su capacidad dc realizar trabajo. De las distintas formas en que el hombre utiliza la eiiergía, la clectrici- dad, pese a su historia relativamente corta, es la que más Iia influido eii iiticstro modo dc vida. Su facilidad de transporte y sus nuinerosas aplicacioiies eii muchos aspectos que se consideran hoy día normales la han convertido en iin elerneiito casi iiiiprcscinclible, cuya necesidad se hace,más patente en aquellos morneiitos en que no se puedc clisponei- de ella.

Las aplicaciones industriales de la electricidad empieza11 aproxiinadamente en cl íiiio 1882. Entonces se dabantlas condiciones óptimas para que se coiisti~iyeraii las primeras instalaciones de distribución de energía eléctrica. cuyo fin priniero fue el alumbra(lo público (instalación del alumbrado de Nueva York por Edison y de Londres por Lanc F'ox). Para que esto pudiera ser realidad fue necesario contar con el trabqo previo de muchos investigadores e inventores, que, a partir del principio de inducción demostrado por Fara- day en 183 1, fueron capaces de construir y perfeccio~iar distintos dispositivos que conse- guían realizar la transformacióii de otros tipos de energía en energía eléctrica. Estos apara-

tos? que recibieron primero el nombre de máquinas dinamoeléctricas, son eri realidad la basc de los modernos generadores. que producen la energía eléctrica actualmente.

El otro elemento indispensable para que tuvieran éxito estas primeras instalaciones h e la Iiinpara eléctrica (Edison, 1579).

En el momento en que estos desarrollos se producen, el tipo de energía eléctrica que :;e conoce y del cual se esperan aplicaciones Útiles es la corriente continua. obtenida de las pilas de Volta ( 1799). Por ello los priineros generadores se construyeron coi1 el objetivo de generar una corriente similar a la que producían dichas pilas. tratándose, por tanto, de lo q~ i c se llaman dínanios (generadores de corriente continua).

Aunque se pudo comprobar la posibilidad de generar tensiones y corrientes alternas, cii aqiiellos nlonientos no se les veía claramente su utilidad. Así, las primeras instalaciorics que sc realizaron eran redes de distribución en corriente continua a dos hilos, de las que se pasú, en un plazo breve, a las instalaciones del sistema Hopkinson de tres hilos.

Las instalacioiies de corriente continiia tenían. sin embargo, muchas limitaciones, siendo la principal que no se podían transportar grandes bloques de energia, debido a las caitlas de tensibn y elevadas pérdidas que se producían. Esto niotivó la ubicación (le las instalaciones indiistriales (principales receptoras de la energia eléctrica desde las primeras aplicaciones de los motores de corriente continua) en Iiigares cercanos a donde se podía producir esta cnergía con facilidad. Estos Iiigares fiieron, en primer término, los ciirsos de los ríos y sobre todo aquellos tramos con grandes desniveles. El proyecto de construir una gran central elbctrica en las cataratas dcl Niágara (1893) produ.jo uiia reaccion importante en la gente qiie no deseaba ver coiivertido aqiiel entorno. de singular belleza, en ceiitro industrial, con los problenias qiie ello podía acarrear. Era, piics, necesario poder trarispor- tiii- la encrgia producida allí a lugares niuy distantes de donde se producía. En aqlicllos iiiomentos, los avivaiices tecnolOgicos hacían ya posible transportar con mis eficiencia la ericrgia elbctrica en forma de tensión altcriia.

Principalmente, el elemento decisivo para favorccer el transporte en alterna es el iransforrnador ((jaulard y Gibbs, 1882, 1884 y Deri, Blatliy y Zipernowsky. 1884). Defini- tivamente la opción de la corriente alterna apoyada por Westiiigliouse ganó la batalla a la corriente continua cii el proyecto Niágara y éste fue el Iiecho que niarca el coinienzo del lieclive (le la corrieiite continua frente a la corriente alterna para las aplicaciones incliistria- les y sobre todo para el transporte de la energía. La principal ventaja de la tensión alterna frr:iitc a la continua es la facilidatl de elevar la tensión por metlio de transforinadores. lo que periiiite subir a valores de ciciitos de k v para transportar grandes bloqiies de energía a distancias largas, pudiendo luego bajar la tensión con la misma facilidad a los valores dc !itilización qlie son normales hoy (lía (230,400 V).

Por otra parte, el desarrollo de máquinas de corriente alterna de buen rendimiento y de I.in precio inferior al de las máquinas de corrieiite continua ha supuesto que esta forma de ritilización de la energía eléctrica haya tenido un gran auge frente al de las primeras instalacioiies de corriente continua. En la actiialidad, tanto la generación como el transporte y la utilización se hacen en forma de corriente alterna trifásica. salvo los pequeños consii- iiios que son iiionofi'isicos

Los grandes generadores de corriente alterna (generadores síncroiios) resultan más sencillos y más fiables que si hubiera que realizarlos para corriente continua. No obstante,

en algunas aplicaciones se han seguido utilizando máquinas de corriente continua funcio- nando como motor, principalmente por sus características de regulación de velocidad, par, etcétera. Pero incluso en estos campos, el avance de la corriente alterna, ayudada en 1:st;i ocasión por los modernos desarrollos de la electrónica de potencia, hace que cada vcz sc estreche más el campo de las aplicaciones de corriente continua.

Como excepción a esta tendencia, se puede citar que algunas grandes líneas de triiiis- porte de energía han sido realizadas en los Últimos años utilizando alta tensión cn corriente continua. Se trata, pues, de una vuelta a los orígenes. La justificación de este uso cac fuera del alcance de este texto, aunque se puede apuntar a la facilidad de regulacion clcl trasvase de energía y a la ausencia de corrientes capacitivas, junto con la eliininacióii dc problemas de sincronismo, como principales atractivos en estas últimas instalacioiies iliic, no obstante, siguen constittiyendo casos singulares (por ejemplo, un cable submarino rle 150 kin transporta energia entre Noruega y Dinamarca a 250 k v en corriente continua).

Para detalles más concretos de la evolución histórica de las aplicaciones de la clcctri-. cidad se pueden consultar libros específicos, entre ellos el de Serrano Iribartiegarav (1 989: 1 1).

1.2. Centrales generadoras

Una central productora de energia eléctrica (central eléctrica) es una instalaci6ri desii- nada a transformar energía de cualqiiier otro tipo en energía eléctrica.

La mayoría de estas centrales utiliza la energia mecánica de algun fluido (agua, vapoi-. viento) para mover una máquina (turbina, motor térmico, hélice, etc.) qiie a si1 vez arrastra a un generador eléctrico. En la actualidad casi todos los generadores que se utilizati sor1 máquiiias sincronas que generan iin sistema trifásico de tensiones seiioidales.

El generador síncrono, tambiéii llamado alternador. produce una tensión seiioidal sobu: una bobina (inducido), haciendo girar en sil interior un campo tiiagiibtico que sc protluce en el inductor, el cual puede asimilarse a un imán, aunque en general se trata de un electro¡.- mán. La parte móvil de la máquina. que contiene el indiictor, se Ilaiila rotor y la parte fija que lo envuelve se llama estator (figura l . I ), y en él se ubican las bobinas del ititlrrcido.

Cuando no se conecta iiinglina carga eléctrica a los bonies del gcnerador, las tensioiies en el inducido se producen sin consuiiio de potencia, por lo que la ináqiiiria in«triz sólo nece-- sita vencer la resistencia que ofrecen los rozamientos. Se dice qiie el geriei-ador esta cii v¿icío.

Al conectar una carga a los bornes de salida del generador, por ella ciicula ~ina iiiieii-- sidad que da lugar al consumo de una potencia eléctrica. Esto iiiiplica que la iniqiiiiiii motriz debe suministrar esa potencia al generador, por lo que la fuente <le energia priniari;~ que se utilice debe ser capaz, a su vez, de aportar diclia potencia.

Todos los generadores tienen unos liniites máximos en cuanto n la potericia que pucden suministrar. Puesto que la potencia eléctrica en un circuito trifasico equilibrado t:ri

régimen estacionario senoidal viene dada por la expresión:

Para poder conseguir unidades generadoras de gran potencia se necesitan ináquinas con Centroles Iiidr(iíu1icas. Entre las primeras instalaciones de generación de energía clCc- elevadas tensiones y grandes intensidades. Las tensiones que se pueden utilizar en las trica de gran potencia que se realizaron, están las centrales liidráulicas o hidroeléctrica:;. ináqiiinas vienen limitadas por la necesidatl de garantizar el aislainiento entre distiiitos En éstas, la diferencia de energía potencial del agua entre dos puntos a tiifcreiite nivcl sirve cleinentos. Por lo general no se superan los 20 kV. Al hablar dc tensión en sisteinas trifisi- para inovcr una turbina que, en el mismo eje, arrastra el rotor de un alternador. Las tiii'hi- m:; se hace referencia a la tensión compuesta o de línea, salvo indicacióll coiitraria. nas hidráulicas suelen teiier velocidades de giro no muy altas, por lo quc los altcriiadorf:~

que se iitilizaii en ellas tienen varios pares de polos (téngase en cuenta qiie la velocidad (Ic

FIGURA l . l . Alteinodor de la ceiitrcil el6ctrica de Ricobayo I I de 15 1 MW de potencia.

Por otra patte las intensidades qiie circulati por los devanados producen el caleiitarnien- to tle estos, coridicionando el tamaño y las necesidades de refrigeracióii de los inismos. En la actiialidad pocos generadores siipcran la potencia de 1.000 MVA en iiiia sola iinidad.

Algunos dispositivos piiedeii producir eiiergia eléctrica a partir de un principio diferente al de las ináqiiinas citadas, quc se basan en la iriteracción entre campos inagiiCticos v elCctricos. Tal es el caso dc las pilas y las baterías, en las que la fiiente primaria de eiler- gia es de tipo químico y prodiiccii tina tensión continua, así como los generadores solares tOtovoltaicos, constitiiidos por cristales de silicio especialmente tratados, en los cuales la

1 adiaci6n solar da lugar a la producción de una tensión. también continua. R continuación se comentan, de una forma somera, algunas características de los priii-

cipales tipos de centrales eléctricas.

giro de un alternador en revoluciones por minuto es igual a 60 por la frecuencia, divitlido por el tiúinero de pares de polos). Estas máquinas suelcii coiistruirse con roiores de polos salientes y su dihinetro suele ser bastante grande, mientras que la longitud es reducida. Sii disposición suele ser de eje vertical. La utilizacióii de la cnergía liidi-áiilica tiene vaiios coiidicionantes. En primer lugar, es necesario encontrar una ciieiica con caudal y tlesriivcl adecuados para poder reiitabilizar la instalaciOii de una central. Eii scgiiiido lugai; la Tiieiifc. de energía (el agua) está su-jeta a variaciones que no sc pueden controlar, en funcióii tlr Iíi

pluviometría. Además, en general, las cuencas de agua están actiialinciite iiiuy regiilacl:~:; en cuanto a caudales mínimos y máximos que piiedeii transportar eii cada momento 1701-

razones del sutniiiistro humano para ciudades. de riegos en campos, ctc. Esto. juiito coii 121

limitada posibilidad de obtención de energia que suponen las reservas Iiidráiilicas. Ii;i(:<. que, en general. esta fuente de energia sea insiificieiitc en los paises clessrrollados.

Centrales ténlrica.~. Otra alternativa para la produccióii de eriergia eléctrica procede d i la posibilidad de obtención dc trabajo a partir de calor. Las centrales rérniicas se clasific:a~l en dos griipos:

o) Ceirtrcrles féi.inicn.s coi~i~ericioric~le.~. E11 éstas, a partir tle un conibiistible losil (cai' bóri, fuel-oil, etc.) se obtiene calor que se emplea en producir v sohrccalciitar valwi clc agiia, cl cual al expansionarse cn una turbina tlc vapor prodiicc cl nioviinicnto clc ésta, cluc arrastra al alternador. Eii estc caso los alternaclores sticle.ti ser tic t i r i

iiieiior numero de polos (máquinas inás rápidas), por lo que sil foi-iiia cs tlifcrcriic 21

la tlc los geiicradorcs de las centrales hidroeléctricas. Sii aspecto cs dc iiiio iiiAqiiiii;~ de ineiior diáinetro y mayor longitud. Ademas sil disposicibii suele scr tlc c.ic 1ioi.i zoiital. Las centrales térmicas coiivencionales representan eri 1;i ; i ~ l i i i t l i t l i ~ < l L I I I Í I I L ) i - .

ina de producción de energía de la que seria inuy dificil prcsciiiclii. No obs(íiiili:. taiiibiéii tiene ciertos inconvenientes. En primer lugar, su ubicaciOii tlcbc Iiaccrsc prOxima a los puntos de obtención de los coinbustiblcs (iniiias dc c:irb5ii. piicrlos juiito a refinerías). En segundo Iiigai; la cantidad de materia prinia qiie piieilc uiili- zarse como combustible es limitada, aunque las reservas iiciiiales son t»daviii importantes. Por otra parte, su ritilizacióii prcidiice iiii fiicrte iiiipacto anibieiital por emisión de contaminantes. Por esta razón, algunas (le estas cciiti~;ilcs qiie se cons.- truyeroii jiinto a polr>laciones importantes tieiieri hoy iina iitilizacióii inuy liiililada.

h) Ceiitr-oles nucleares. Las centrales nucleares iitilizan la fisióri del Uranio eririqtie- cido (u otros combustibles nucleares) conlo fucnte dc cncrgía tkrniica, a partir cle la cual, por medio de un circuito cerrado primario que Iiace cle coiiexióii eiili-e rl

reactor y el circuito secundario. producen vapor. A continuacitiri, cl proceso es similar al de las centrales térmicas convencionales. Estas centrales no prodiic:eit contaminación atmosférica durante sil fuiicionamieiito noririal. ai~riqire los resitlilos

radiactivos deben ser eliminados de forma segura, lo cual provoca grandes contro- versias sobre la conveniencia de la utilización de esta ftiente de energia (los ricsgos ante sihiaciones graves de averías son muy elevados).

C,'en/rule.s degirs. Las centrales de gas utilizan turbinas de gas. Eii éstas, los productos de la coiiibusti0n del gas salen a gran velocidad a través de la tiirbina. la cual arrastra al alterna- doi: Son máquinas rápidas (uno o dos pares de polos). Su utilización es más bien coinple- nicritaria a la de las otras centrales comentadas, ya que el coste dc producción de la eiicrgía 1:s 1175s elevado en estas centrales. De ellas cabe destacar la gran rapidez con que pueden scr puestas en régimen de funcionamiento nonnal a partir de su estado de reposo. En la actuali- ilatl se están constntyendo centrales de gas de ciclo conlhinc~(Jo. en las que se recupera parte (le la energia dc los humos de escape para producir vapor. Este viipor acciona un grupo turhi- na-alternador. De este modo se alcanzan rendiinientos globalcs del orden del 60%.

Olrir.~,/u~nte.v <Ir cweq$a. Adeinls de los tipos de centrales citados, hay otras fiicntcs de ~tiiergia, coino las llaniadas renoi~(rD/es, que se utilizan en la producción tlc electricidad. llntrc Cstas se pueden citar la ener-gio erilica, la energiu mcrrcornotriz, la erlergin,J¿)~o~lol~tricc~, ,;tc. No obstante, la mayoría de estas instalaciones no tienen un peso realriiente significativo <:ti el p:inorama global de producción (le energía eléctrica, bien porque su ~itilizacióii qiicda :;ujci:i :i f¿ictores aleatorios que le rcstan iitilidad, bien por los elevados cosics. o por los bajos ~.ciidiiiiicntos, qiie hacen que este tipo de instalaciones resulten económicamerite poco atrae- 1 icis. Coino excepción. la generación de origen eíilico csti exlieriinentando iin r~ipido creci- i~iiciito eii España. Favorecida por la política de diversificaciOn energética, sii costc dc insta- 1:iciOii tienc pcriocios de retornos tle iiiios 10 años, con eqiiipos cuya vida útil se cspcrrt que .c;i iiiiiclio mis larga. Su principal ritractivo es la iitilizaciiin (le una liiciitc (le cticrgia iiatii- I ; I I , rciio~ible y g~itiiita: el vicnto hace girar a las tiirbinas cólicas que transiniicn su iiiovi- 1111cti(o ii generadores eléctricos sincronos o asincronos. Aiinq~ie la potencia (le cada ~ini(lad iio s~ielc ser grandc (hasta 1.000 kVA). los grandes parques eólicos presentan potencias glo- I~:ilci; sigriificativas (cientos de MVA), con un efecto cada vez mayor sobre cl coii,jiiiito de la ;iciicr:icii~~i elFctrica. Su principal inconveiiieiite técnico radica en la relaciOii directa dc la :iilii.#ia eléctrica generada con la velocidad del viento, la ciral varía de hrma incoiitrolada e iinprctlecihle.

lin los últimos años han proliferado e11 nuestro país iiistalacioiics geiieradoras de ~it'iliicña potencia, de propiedad particular, que se concctan a las redes dc distribuciiiii y siiniiiiistraii energía a éstas. Se trata dc utrtoprndrictor~.~. Entre éstos existen tanto instala- >:iories iniriihitlráulicas como otras relacionadas con procesos industriales que son graiides consurnidores de energia térmica y qrie utilizan la energía residual para producir electrici- !I:icl ((~oger?emci<jrl). Aunque su peso relativo en el coii.iiinto de la generación sea todavía i i i i i v pequeño, sus caracteristicas (dispersión, pequeña potencia, etc.) hacen que cste tipo (le generación pueda tener en el fiitiiro importantes consecirencias en la forma de explota- !,r(iri tlc las redes de distribución de energia eléctrica.

L'oiiio información complementaria, en el cuadro 1.1 se muestra la estructura de la i.)iotliicciOn de energia eléctrica en el sistema peninsular de España. Para ver con mayor tictalle la introducción histórica y aspectos de centrales eléctricas es recomendable Fraile ;\.,lora ( 1996: 5).

1.3. Transporte de la energia eléctrica

CUADRO 1.1 Producción de energia eléctrica según el tipo de central. Sistema

La energia elkctrica como tal no puede alinacenarse eii In actiialitl~itl cii caiiticiatlcs cliic resulten sigtiificativas frente a los iiiveles de dcnianda. I'or taiito, 1)íu:i que exist(:t ~iiia situación estable en el sistema eléctrico global tienc que haber i i i i cqtiilibrio constante e,ntrc la energía eléctrica producida y la consuinida. Las prinieriis iiistal;iciorics de eiier[:i¿i cltctrica, en las que uno o varios generadores de una central sc conccinhan dircctanicntc a un consiiiiio, resultarían en la actualidad muy (lificiles (le controlni-. tladns Ins caiitidatics de energía que se trasvasa a los graiides centros de coiisuino y la voriaci0ri tle la (Icinaiic1;i que éstos pueden experimentar a lo largo tlel día. Además, cste tipo dc iiistalaciciri gciicra- dor/consitino representa un sistema crítico, pues cualquier avería eii la gcricsaciOn o en Iii

línea qiic conecta ésta con el consuino produce inmediataiiieiite uiiii reperciisiíiii dircciii sobre el suministro. Pronto se vio la necesidad de crcar grandes retlcs iiitcrcoiiectatlas ii l¿is que se uiicii por tina parte tin gran niirnero de centrales pro<luctoras v 1)os otra ti11 gi';iii número dc coiisumidores, de Torma qiie el e,quilibrio total piiedc i~htciicsse ;I pcs:is tlc pequeñas variaciones producidas en algiiiia de estas iristalacioiics. F,siiis graiitlcs retic:;. que se Ilaniaii reties de f r ~ s g o r f e , juegan un papel fundamental cii ,goi.;tritiz:ir rin siiriiiiiis- ,. ". .,... . tro fiable de la energía, ya que, debido al gran riiimero de concxioncs eiitsc siis iiudos, i i i i t i

avería en algítn elemento, en general. no impide cl funcionaniieiito plnl~nl (le la rcd I t:I suministro a los distintos nudos de consunio (cuadro 1.2).

Dado que estas redes abarcan distancias grandes y por ellas circulaii griiiides hloqcir:~ de energía, su tensión es muy elevada (400 o 220 k v generalmente). I'or csto es iiecesili-10

98/97 (TI\ 2,!i 6 7

-3,l -1 9,s 1 22.6 1

-40.4 253,s 1 -64,l 1

-

0,U ;

- 1 I,O !

21,l i

2,9 46,Y ' -

6, .5 -- -

1998 [GWh)

33.989 58.996 60.1 84 30.050 13.721 6.406

1 0.007 2.367 3.282

158.8 18 6.274

152.54-4 19.325

171.869 2.587 3.390

172.680 ~.~

1997 [GWh)

33.138 55.305 62.098 37.337 11.187 10.742 2.832 6.634

209 157.384

6.361 151.023 15.885

166.908 1.752

-3.085 162.071

1 , .

1 ' ,

' ,

. .

:

:

-

, . .

:, ,

CENTRAL

Hidroeléctrica Nuclear Carbón

Hulla y ontracita Lignito pardo Lignito negro Carbón importación

Gas natural Fuel-oil Producción bruto Consumos producción Producción neta Adquirida autoproduct. Producción tofal neta Consumos en bombeo Saldo intercambios internacionales Demanda en barras de cenfral

qilc a la salida tle los generadores existan unos transformadores de gran potencia que ele- vcii la tensión desde los valores que se utilizan en las máquinas (15 o 20 ItV) hasta los valores de transporte. Estos transformadores componen lo que se suele llamar el parque tk (rai~sformacii>n de las centrales. Cuando las redes de transporte se aproximan a grandes centros de consumo (ciudades) se colocan varias esttrciones transfornzadorns prirnai.ic1.r 31rededor de los núcleos citados. En éstas la tensión suele reducirse a valores del orden de 66, 1 10 o 132 kV. Con estos niveles de tensión se crea una red interconectada que rodea el iiucleo iirb¿ino y que alimenta a varias estaciones red~ictoras o subestcrciones. Esta red I-ecibe el nombre en algunos países de szrhtratisporte y en otros de disrt-ihlrcirin primat.ia.

CUADRO 1.2 Evolución del sistema de transporte de Red Elécirica en el período 1993- 1998

Las .ruhe,vtocioiie,s, a sil vez, rediicen las tensiones a valores que clásicamciite rccibían 1:I rioinbrc de media tensión (1 1, 15. 20 o 25 kv). Las liiieas de di.~lribz/riÚn que salcii cle las subestaciones en inedia tensión van adentrándosc en los iiúcleos de consiirno y alinicn- (ando a los transformadores (cenfi-o.v c/e trarr.~foi.t~~acWn), que proporcionan ya un nivel de baja tensión (Iiasta 1 .O00 V), que es cl usual en los receptores.

Las t~<tlev t/e ~listribtrción en media tensión suelen disponerse en forma radial, es decir, la elicrgia fluye en uii único sentido desde el principio de la Iíriea (subestación) hacia los ~:eiitros de transformación. Esta estructiira rndial se mantiene estrictamente en la mayoría iIc las redes riirales, que suelcii estar constr~idas con líneas aéreas. En los ní~clcos urba- iio:;, con el objctivo de garantizar tiii mejor servicio (reducir el niimero de iiiterrupcioiies)

mayor seguridad, las redes dc distribucibn suele11 hacerse en la actiialidad subterráneas y sii estriictura es mnllada, aunque durante la explotación se mantiene norinalinente una dis- irihución radial de la energía, manteniendo algún punto abierto.

Para concretar me-ior las ideas. se van a comentar brcvemente algunos e-ieniplos de i:stas estruchiras citadas.

En la figura 1.2 se representa de manera esqueniitica el conjunto de 1111 sistenia eléc- [rico de potencia. En ella se distinguen las diferentes partes que se Iian ido comentando: generaciijn, transporte y distribución, y se indican valores típicos para las tensiones y otras inagnitutles del sistema.

I,a t'igura 1.3 muestra, de forma simplificada, una parte de la red de transporte de 400 l<V r l r Espaíia. En dicha figura se observa la presencia de varios generadores de gran potencia y estaciones transformadoras primarias, que están situadas normalmente cerca ile centros consu- ii~idorcs importantes. Como puede observarse. existen siempre caminos alternativos para que la energía llegue a las estaciones primarias y por tanto a los puntos de consumo.

km de circuito

400 kv 220 kv

Centro de Transformación

Estación Cubeslacibn

Transformadora Parque de prima; , Transformacidn

Fuente '" Generador

1993

13.179 4.214

Turbina t- Generacibn (Central)

100 - 1 000 MVA 3-15MVA 0.1 - 2 MVA

100 - 500 km 20 - 100 km 5 - 15 ktn 100 - 500 m

10 - 30 k v

FIGURA 1.2. Características típicas de los sistemas eléctricos de pote~icia

1994

13.477 4.2 14

/"$l entes

@ Generadores Eslacioiies transforinadoras

1995

13.710 4.214

Cortes - Otras conexiones

FIGURA 1.3. Ejemplo de red de transporte.

1 Si se entra con más detalle eti uno de los grandes núcleos de cons~iriio. sc obsci\,~ri;iii

1 estructuras como las que muestra la figura 1.4. Las subestaciones eitiii aliiiieiitad~i.; p(31 líneas de 220. 132 o 66 k v y, en general, están enlazadas forniando anillos para gaiaiiii7 11

el suministro en caso de alguna avería en un tramo.

1996

13.823 4.240

1997

13.984 4.276

1998

14.278 4.280

Nucleo principal de población

Nucleos penf6ricos de menor densidad

- - - Cable sublerráneo de A.T.

FIGURA 1.4. Ejemplo de red de subtransporte en uno población importante.

L;i figiira 1 .S muestra el esquema dc una red de distribuci0n en rneclia tensifin. Corrcs- ~)onde a tina zona rural, con lincas akreas y centros de transformaci0n en clerivación. !'omo puede observarse, la energía sólo dispone de un camino para alcanzar a los consu- riios partiendo [le la subestaci6n (red radial).

Las principales venta-jas de la utilización de redes radiales son sil sencillez de discfio y i:xplotacióii y s ~ i economía (protecciones más sencillas). Por contra, su principal desveiita- 1:i i-ridicn cri qiic ciialquier avería o traba.jo sobre las redes afecta al gran riiimcro [le usiia-

u Centro de transformación Subestación

FIGURA 1.5. Red radial de distribución.

P""" GENERACIÓN Y DISTRIBUCION DE ENERG~A ELECTRICA 23

rios que se quedarán sin servicio. Para mantener las ventajas de las redes radiales y evitar l

sus inconvenientes, en zonas urbanas estas redes se suelen anillar, formando lazos. Eti 1

1 estos lazos existen elementos de maniobra que permiten mantener abierto el lazo, pcro variando el punto de apertura si se precisa. Con esto, las redes auineiitan su fiabilidad, ya que las averías afectan a menos clientes. Por fiabilidad en una red electrica se entiende sti

i capacidad para mantener el suministro de energía eléctrica a los consumidores. La figura 1.6a muestra una red anillada en su estado normal de operación. La aparicií>n de tina avt:- ría obliga a realizar ciertas maniobras liasta alcanzar el estado inclicatlo eii la figura 1.617

l 1 En este estado, todas las cargas siguen alimentadas pese a tener desconectada la zona avv- 1 riada.

01 b1

FIGURA 1.6. Red de distribución en anillo.

1 En líneas de distribuciíin subterráneas y del tipo ariillado los cciitros de transrornia- ción suelen ser "de paso", es decir, con entrada y salida de la línea. Caela extrenlo de I;I línea dispone entonces de rin interriiptor, con los ci~ales pueden reali7arse coi1 f:icilidacl I;is maniobras indicadas en la figura 1.6. La figura 1.7 aclara este tipo (le inst:ilaciones.

Llnea subterránea de 20 kv

1 Centro de transfomación

! FIGURA 1.7. Centros de tran;formación de paso en líneas subterráneas en anillo

Dc los centros de transforniaciíin partei-i las líneas de baja teiisi6ii (a 400 V o valores siinilarcs), que dan servicio a la mayoría de los usuarios. &te es, pries, el Últiino eslabón de I:i cadciia del transporte de la eriergia hasta sil utilizacióii final. Las líneas tle suministro en baja tensión tienen típicainente una estructura radial; siis longitudes son cortas. Su coilstrllc- ciciii puedc ser siibter16nea o aérea; en este ultitno caso, a su vez. puedeii constniirse con cíibles desnudos sobre soportes aislarites o con cables aislados. autosoportados o sujetos a un i:iiblc fiador dc acero, tales como los cables con aislai-iiieiito para 1.000 V. trenzados en haz.

1 ,da.* lnstcalaciones receptoras

El fin último (fe las redes de distribución es s~imiriistrar energía eléctrica para str iitili- ~aci6n final. Las instalaciones receptoras dc esta energía se concctan a rcdes públicas eri ,ilgún punto que marca la separacibri cntre la instalación privada, propiedad del usiiario y la rcd de tlistribución. Éste es el pzirrto de er11i.ega o (/e crronzetidri.

E:iias instalaciones receptoias puedcn diferir ei~ormcmcntc scgúii su aplicación y otros Ikc:tores, pero todas están formadas por elementos setnejaiites.

(5) El tipo inhs li.ccuente de i~nfolncWrr rece/7/ora inc/~i.~tricr/ cs el indicado eii In figura 1 .S (dcsdc deccnas (le kW hasta iiiios 1.600 kW, por lo gciieral). La aliiiientacihii se realiza tles(lc la rcd tle alta (inedia) teiisiíiri (por ejemplo a 20 kv). La prnlccrirjn ~ e n e i ~ r l evita

L.M.T. (20 kv)

Protección

Medida

Q Transformador S n G 1 000 kVA

h FIGURA 1.8. Esquema de instalación industrial.

i ! GENERACION Y DISTRIBUCION DE ENERG~A ELECTR~CA ?!i

i I

1 ' que los incidentes o averías quc puedan producirse en las instalaciones receptoras sc p1.o-

! paguen a la red. Tras la protección general se disponen equipos,,que periiiiten hacer las 1 : -

: ' operaciones de conexión y desconexión del traiisfornlador (mnniobrn). Para lacturar la i . eiiergía consumida, es necesario disponer de eqlripos de niedicla adecuados. La energía i -transforma a baja tensión cn el traiwjbrr,rador y de allí se pasa a un cuadro general tic ,,,.o- i lección disfribuciói~ del que parten diversas canalizaciones hacia los puntos de coris~iriio. / Dependiendo del tamaíío de la instalación pueden existir otros ctrcrclro.~ seciirirk~rio.~ de

1 , protección y maniobra (puede llegarse a más niveles), repartidos por el local. A lo laigo de

S ' este libro se va a estudiar fiindamentalinente este tipo de instalacioties. i , . : . b) Cuando el tamaño de la instalación es grande (varios miles de kW). es frecuente tluc

' [ 'existan varios centros dc transformación conectados por uiia línea interior de alta (metliai 1

. 'tensión, o bien un centro de transformación con varios transfornladores quc ocasionali~icii- "

' '!e pueden estar conectados cn la parte de baja tensión (transforinadores en paralelo). I c) Con potencias todavía mayores, el suministro se realiza desclc niveles dc tensióii 1 ' '

; / . slipenores (66 o 132 k v ) y normalnlente existe una red interior dc nietlia tensibn (por ejeni- , plo a 6 k v ) que alimenta a varios transforinadores e iiicluso a algunas cargas espccialcs .(motores dc gran potencia). La figura 1 .Y muestra el esqiieina de este tipo dc iiistalaciones. ,

L.A.T. (- 132 kv)

f Red interior de A.T. (6 kv)

O FIGURA 1.9. Esquema de instalación industrial de gran potencio

4 En instalaciones industriales de menor potencia (domésticas, comerciales, ctc.) la ;~lirneiitación se realiza directamente desde redes de baja tensión, por lo que iio tienen ceii- ti.0 [le transformación y el equipo de medida se instala en el inicio de la instalación. tras una protección general. Su esquema sería como la parte de baja tensión de la figura 1.8, :iñ:idieiido en su origen la protección general y el equipo de niedida.

l .J. Redes de distribución en corriente continua

Coino se dijo al comienzo del capítulo, estas redcs fueron las primeras en ser construi- das. a finales del siglo xix, para el transporte y distribución de energía eléctrica.

Los sistenias de distribución en corriente continua se usan actualmente cn casos especia- ics, lales como alumbrado de emergencia de hospitales, centrales eléctricas, cines y, cn gene- MI. en locales de piiblica concurrenciñ, así como en sistetnas de tracción tales como tranvías \r krrocarriles de vía estrecha, y en algunas máquinas herrarnieiitas. etc. A c«ntiniiacii>n se cxpnricn dos ejemplos.

( 1 ) Aconretidcr para irna línea de corriente coritinua (fe t~rciccióit~Jer-roviclricr

En tracción se utiliza, generalmentc. corriente coritiii~ia para las líneas de alimeiitaci01i cle los trenes eléctricos. Para ello, la cnergía se toma :I través de tina acornetitla en corricri- te alterna eii Media Telision (20 kv), se transforma mediante tina subestacióii transforma- clara (lesde 20 a 3 kv o a otra tensibn y se rectifica con [iria batería de pucntes rectificatlo- i.e:i irifásicos. según se observa en la figura 1.10.

Línea d e ferrocarril

20 IcV 1 3 kv Rectificador

FIGURA 1 .¡O. Esquema de instalación de corriente continua.

Ir) .~llimrntación pora nl~rnrbrado tic emergencia

Tal como prescribe la reglameiitación vigente (Reglamento Electrotécnico para Baja rciisión). los locales de pública concurrencia (más de 300 personas), hospitales. cines, -1s . dcbcn tener un sistema de alumbrado de emergencia, autónomo, que funcione cuando lnlla la red general de distribución. Diclio sistema puede ser una red de corriente continua

1 I alimenhda por baterías, que se pone en funcionamiento autoinática o manualininte al

I fallar el suministro normal de energía.

l

1 I 1.6. Simbologia. Diagramas unifilares

i l A lo largó del capitulo se han representado diversos elementos normrles de las inste- ! 8]aciones el6ctricas de forma simplificada, por niedio de símbolos. listos y otros miichos

: que i d n apareciendo en posteriores capítulos son los establecidos por la norma lJNF

1 20004. Por otra parte, la representacióii completa de los circiiitos elCctricos p u c b con<luc~i ;i

/ esquemas muy complejos y dificiles de interpretar por el gran i~rimcrn de denientos qiic

1 contienen. Estos esqucmas pucdcn simplificarse notablemente sin pérdida <lo inforiiaciiii~

R S T N

FIGURA 1.1 1. Construcción de diagromas unifilares.

si se evita repetir la representaciúi de los elementos idénticos existentes eii las distintas Qser. s~istituyéndolos por uno solo. Por ejemplo, en im circuito trifisico equilibraclo bas- taría con representar solo una fase Esto conduce al tipo de representacibn niás utilizado e11 la pi8ctica. que es el esquema unifilar. En él. cada elemento (trilsico o nionofásico) se representa por uii simbol&nico y las líneas que los unen representa11 e11 realidad las cana- lizacioncs eléctricas, formadas por varios conductores y sus elementos portaiites (tubos, bandejas, etc.).

La figura 1.1 1 ,nuestra la eqiiivalencia entre un esquema completo y tino iinifilar. La iiisyoria de esyucmas representados en este capítulo son diapramas unifilares correspoii- clientes a redes írifásicas. 1

t ' Aparamenta eléctrica de baja tensión

r

ii 2.1. Introducción

En este tema se estudian una serie de dispositivos (aparamenta eléctrica) utilizados en

1 las instalaciones eléctricas cuya funcibn es permitir la coneribn y <lescoiiexióa de piirlcs de la instalación. Aunque el tcina se centrará en el eshidio de la aparaineiita básica dc I>qa

l 1 tensión, algunos conceptos se pueden extender, en principio. a alta tcrisibn.

t El concepto de aparainenta cngloba varios tipos de dispositivos [le características rii~iy diversas; estas características en cada caso están deteriiiinadas por las contlicioncs eii Iris que se efectúan las maniobras de apertura o cierre (vacío. fiincionaiiiieiit» normal o aiioi- mal) y por la dificultad de la maniobra (control de cargas. proteccióii de la instalación,

1 seguridad de las personas, etc.).

I A) Circuitos eléctricos

Las figuras 1.8 y 1.9 representan ejemplos de esqiieiilas uiiifilares dc iiistaliiciones industriales normales. Se observa que de los ciiadros (general o priii-iario, secundarios o terciarios) salen líneas trifásicas o inoiiofásicas que alimentaii coiisiiiiios de más o iiicnos potencia.

Todo circuito eléctrico, trifasico o inonofásico, debe llevar en su origen un aparato cñ- .. , ' paz de conectarlo o desconectarlo. Aliora bien, la conexion o descoiicxicín (intinio1~l.a) tlcl

..' circuito puede hacerse en diferentes condiciones de funcionaiilietito del circuito, lo que condicionará el tipo de elemento de maniobra a colocar.

l 1 B) Coridiciones de funcionanliento de los circuitos elécfl-icos

Un circuito eléctrico se puede maniobrar estando en las siguientcs coiidiciones:

kcio . Es decir, sin cargas conectadas, por lo que la corriente quc se corta (al abrir) o se establece (al cerrar) es nula. La tensión del circuito es la riomiiial.

- Funcionamiento normal. Hay cargas conectadas y la corriente que sc corta o se presenta en el circuito (al abrir o cerrar) es igual o menor que la corriente nominal del circuito. Se denomina corriente nominal a la máxima que puede circular perniancn- temente por el circuito, sin producir calentarnientos excesivos ni nirigiin problema tle otro tipo.

- A~ncionamiento rrnortnnl. Al efectuar la maniobra la corriente que se coiiecta o desconecta es siiperior a la nominal. La presencia de corrientes aiiormales sc clcbc al f~incionamiento defectuoso de alguna de las cargas alimentadas por el circuito o a averías en el propio circiiiio. Estas corrientes anormales pueden ser:

Sof~recargas, que son corrientes cuyo valor es algo superior al nominal, por ejemplo hasta 3 o 4 veccs la intcrisidad nominal (1,). Cortocircrritos, corrientes de valor muy superior al nominal (10+20 (,), originatlas por averías graves en las cargas o cn los cables de la instalación; normalmente son fallos de aislamiento.

Lo anterior se puede aclarar con un ejemplo. Sopóngase tina linea trifhsica (L) (figura 2.1) que sale de un cuadro general (C.G.) y alimenta a tres cargas (C,, C2, C,). que p~ierien scr inoiores. En la figura, los rectángulos A y B representan aparatos rle maniobra.

C.G. T

FIGURA 2.1. Esquema simple de una Iínea trifásica.

(11 Puede ocurrir que los aparatos B,, B, y B, estén abiertos y A cerrado, entonces por la Iínea L no pasa corriente. La linea está en ijacio.

APARAMENTA ELECTRICA DE BNA TENSION :I 1

l.

b) Si alguno o todos los interruptores B,, B,, B, están conectados, además rlel A, por I

1 la línea L pasará corriente. Cuando los tres interruptores B están cerrados v la::

I cargas dan su mayor potencia posible en régimen permanente (valor rioniinal), por 1 la Iínea L pasará la mayor corriente posible en régimen periiianente. La líiica y V I

1 aparato de corte se diseiíarán para poder soportarla. La línea está eii funcioiiainicn - to nornial.

1 , e) Si estando conectados todos los aparatos A y B alguna de las cargas, por fallo (11:

! funcionamiento o por avería, absorbe una corrieiite superior a su corriente nomin:il 8 1 por la linea L y por el elemento de maniobra A puede pasar una corriente siiperioi l

a la que pueden admitir permanentemente; esta circuiistaiicia puede darse tarnbiéii : por avería en la propia Iínea. La Iínea está en funcioiiamiento c~nornlal.

8

1 ES evidente que para elegir el aparato A se hati de considerar las circunstancias en qurx

1 se van a efectuar las maniobras (vacío, funcionamiento normal o aiioriiial de la Iínea). 1 lay qiic tener en cuenta que cn un circuito, por razones que se verán nirís adelante, se puecle

\ colocar en serie más de un aparato de maniobra. Cuando se vaya a producir una apertor~i se hará actuar al que corresponda según el valor de la corriente a cort;ir, Cuando se realice ,

! iiha maniobra de cierre, se establecerá una secuencia lógica de actuaci0ii de los aparatos

1 z en serie. Si hay tin solo aparato, ha de ser capaz de actuar correctaiiientc cii las coridicio- iies más desfavorables de funcionaniieiito anormal.

! C) Ideas Oúsicas sobre el arco eléctr.ico

En la mayor parte de los dispositivos estiidiados en este capitiilo. la apertiira o ciei r(: 1 del circuito en el que estiii instalados se rcaliza por la scparacióii o iini9n dc unas pie7as

t metálicas de gran conductividad Ilainarlas coiitactos. Cuando un aparato corta o establece una corriente aparece un aico eléctrico ciilrc sus

! í contactos. En general, se presenta un arco eléctrico entre dos partes conductoras con nivc- i les de tensión diferentes, separadas por iiii medio aislante, cuando el valor del canipo elcc-

¡ trico en algún punto del aislante supera a su rigidez dieléctrica, entonces se iorii7a el I , , medio aislante producihdose el arco. '$J,+ J,,,&,d4w - 1 En el arco se disipa una gran cantidad c cnergia, se alcanza11 altas teiiiperatiiias i (pueden ser del orden de los 8.000 "C cn el centro del arco) y se volatilixan partes peqiie-

iias del material de los contactos. Desde el punto de vista eléctrico, el aico se coiiiporta como una-sistencia de valor variable. d

Un aparato eléctrico que conecta o desconecta circuitos debe elimiriar (extinguii ) inuy

l rápidamente el arco el6ctrico que se presenta para evitar que la energía liberada lo deterlo-

1 re. Realmente, los arcos más problemáticos se producen durantc la aper tina de los corit;ic- tos. Durante el cierre el arco se extingue por sí mismo, produciéndose arcos en el caso de que haya rebotes de los contactos tras el primer cierre.

Si el circuito es de corriente continug, el aparato debe de disponer dc los - e _ l o ~ p i i ~ extinguir (apagar) el arco. Si el aparato es de corriente alterna, ciiando la coirientc p¿is:i por cero el arco se extingue, pero el medio está ionizado y a alta tempeiatiiia, tlebido a In

I

ciiergia disipada, por lo que el aparato debe disponer de los medios para evitar que el arco . I. " ce reencienda tras los primeros pasos por cero de la corriente. :

t i -

I?) Cnracterísriccrs ha.sisicas de los lrpuralos de corte i I

Los aparatos de maniobra debcn diseñarse para la tensión del circuito donde se van a i instalar (ya que el establecimiento y apagado del arco depende de esa tensión) y para el 1 mayor valor de la corriente que pcrmaneiitemente puede pasar por sus contactos en estado 1 de cerrados sin provocar calentamientos excesivos ni averías en el aparato. A estos valores 1límites de tensión e intensidad se les denomina. en principio, valores nominales (tensión y I corriente nominal). !

Además, al abrir los contactos, los equipos de maniobra podrán soportar y extinguir arcos eléctricos producidos por corrientes de valores diferentes, según esté diseñado el i equipo. Puede ocurrir que un aparato en estado de cerrado soporte permanentemente su corriente nominal, pero que al abrir los contactos no pueda extinguir el arco que se pre- I senta entre ellos, debido a la gran energía disipada, por lo que el aparato se destruiría rápi- I

danlente, provocando una avería de gran importancia en la instalación. i A la capacidad de un aparato de cortar una corriente dada bajo unas condiciones que 1 '

clependen del circuito donde está instalado (tensión, valores del cosrp) se le denomina 1 potlcr- de corte del aparato.

Las tres características descritas de forma niuy sirnple Iiasla ahora (tensión nominal, 1 corriente nominal y poder de corte) son fundamentales para deriiiir un aparato de corte. i

Por e-jemplo. un aparato de maniobra instalado en un circuito trifásico de 400 V (teii- 1 :iiOii iiominal) por el que puede pasar hasta 100 A (intensidad nominal), puede ser capaz / de cortar corrientes muy superiores a ese valor (por ejemplo. 100 kA); se dice qiie es l

icapaz de cortar corrientes prodiicidas por cortocircuitos en la instalacióii (tiene alto poder clc corte). Sin embargo, puede haberse diseñado para que sólo pueda cortar la corriente !

norninal o valores algo superiores (por ejemplo, hasta 200 A); se dice que es capaz de cor- lar corrientes del orden de la nomiiial (apertura en carga), pero es incapaz de cortar las 1

altas corrientes de cortocircuito. 1 Puede ocurrir quc el aparato que se coloque sea incapaz de cortar, por sil incapacidad 1,

cle extinguir el arco, corrientes de cualquier valor; es decir, sólo puede abrir el circuito i cuando éste está en vacío. i

I

Lo anteriormente indicado permite diferenciar los tres tipos fundamentales de apara- i tos de corte que existen en las instalaciones eléctricas: interruptor automático, interruptor 1

en carga y seccionador. 1

La adaptación de los aparatos de maniobra a las necesidades industriales ha dado 1

lugar a que se fabriquen aparatos especializados para realizar determinadas funciones. De kstas. se consideran de más interés las sigiiientes:

- Posibilidad de realizar gran número de maniobras en un tiempo determinado. 'i I - Accionamiento a distancia. Además de accionarse manualmente, muchos aparatos tie-

nen la posibilidad de abrirse o cerrarse mediante una orden dada a distancia. Esto, nor- I 1

malmente, se realiza mediante un circuito eléctrico auxiliar, accionado por pulsadores de marcha y paro, que alimenta a un dispositivo (electroimán) que provoca la maniobra.

- Accionamiento por relés. A veces se requiere la realización de la maniobra, sin intervención del personal, cuando se dan determinadas circunstaiicias en la instala- ción donde está ubicado el circuito. Estas maniobras se realizan autoin8ticarnerite, mediante la detección de determinadas magnitudes físicas (eléctricas o no) qtic cuando alcanzan determinado valor provocan la actuación del aparato de matiiobia Los dispositivos que detectan estas magnitudes y hacen actuar al elemento tic

maniobra se denominan relés. - Aislamiento visible. Esta característica la presentan ciertos aparatos que en la po5.1-

ción de abiertos permiten observar fácilmente, a simple vista, sus coiitactos sepaia- dos. En esta posición son capaces de soportar la tensión del circuito.

1 . l . Definiciones y características de la aparamenta eléctrica

Se designa como aparamenta eléctrica al conjunto de aparatos que se eniplean para la conexión y desconexi6n de circuitos elcictricos.

Dentro del conjunto de la aparameiita se encuentra una serie de dispositivos cuya dife- renciación conceptual puede resultar dificil para personas que no este11 iiitro(lucidas en el campo de las instalaciones eléctricas. En la figura 2.2 se presentan los aparatos más usuales en el campo de la Baja Tensión (BT) con las características priticipales de cada urio cle ellos para diferenciarlos fácilmente.

Todos permiten la conexión y desconexión de circuitos en deterniiriadas coiicliciories (salvo los fiisibles, que únicamente permiten la dcsconexióii). A coiitiiiuación, de foriria muy resumida, se van a definir los aparatos más usuales en las iiistalncioiics eléctiicas, indicando las características básicas de cada uno de ellos.

- Inferr-i~ptor.También llamado rnter-ruptor en cclrga, permite establecer (conectai), soportar e interrumpir corrientes iiomitiales, e incluso sobrecargas. Puedc soportar durantc algún tiempo corrientes anormales como las de cortocircu~to. pero no puede col tarlas. Es decir, tiene poder de corte para intensidades del orden de las nominales (apertura en crr- ga) pero no tiene poder de corte para intensidades de cortocircuito

- Seccionador. Es un aparato que no está diseñado para cortai corneiites, por lo tanto su apertura se efectúa siempre que por el circuito no circula corriente Se instala cn los circuitos acompañatido a otros aparatos de corte y su función principal es de seguridad Iiacien- do visible la apertura de circuitos sin servicio.

- Iriterr~~ptor-seccionador.En posición de apertura cumple las especificaciones de seccionador.

- Interruptor- automático. Es capaz de interrumpir elevadas corrientes de cortocirctii- to. Su función principal es la protección de las instalaciones frente a sobiecargas y corto circuitos.

- donfactor.Su principal característica es permitir un elevado niiirieio de maniobias con corrientes del orden de la nominal, no tiene capacidad para cortar corrientes de valor

mliy sliperior a la nominal. SU fiinción princ~pal es su utilizacihn en automatlzaclones [::,; A continuación se van a introducir algunas de las magnitudes más utilizadas en rela- lndtistnales, usándose generalmente como elemento de maniobra de tos motores. per- : cibli con la aparamenta eléctrica. Las definiciones rigurosas de estas magnitudes se Plie- inite el accionamiento manual. den encontrar en la norma UNE EN 60947, parte 1.

- Ftlsihle. Permite la desconexión de los circuitos cuando están recorridos por una En las normas las definiciones son rigurosas y a veces no faciles de entender Por lee- inter~~idad superior a la normal (intensidad de sobrecarga o cortocircuito). Deberá ir siein- , tores poco introducidos en este campo. Con las definiciones básicas que se dan a corlit- Prc acom~afiado de un ekmento de conexión. Por ello, freciientemente, se utilizan mnlbi- nuación se pretende que el lector tenga una primera idea ~ 0 n ~ e p t i i a l que sirva Para I r

os con un aparato de conexión (normalmente interruptor) formando lln solo dispositi- , eiitraiido en el tema. A lo largo del capítulo se irán concretando y ampliando 10s collcePt(is vo, con denominaciones comerciales diversas (por ejemplo, interrilptor-fusible). aquí ekpuestos para cada aparato concreto.

Se considera normalmente que los interruptores, contactores y seccionadores soii aparatos de nruniobra, mientras que los interruptores automáticos y los fusibles son aparatos de protección.

En la norma UNE EN 60947, parte 1, se encuentran las definiciones rigurosas de los aparatos aquí comentados. Asimismo se incluyen definiciones de otros aparatos, dc partes de los aparatos, de magnitudes y características. prescripciones de funcionamiento, etc. En caso de diida es conveniente recurrir a esta norma para profundizar en los conceptos.

Poder de corte (Ice)

Apertura en carga (In)

Elevado no de maniobras

Accionamienlo eléctrico

Accionamiento por relés

Aislamienio visible

/ Utilizaci6n

l . . . - _- - - -

2.1.2. Magnitudes de definición comunes a lo aparamento de conexión

Las normas definen una serie de magnitudes que permiten caracterizar los aparatos eléctricos y seleccioiiar un aparato para una aplicación determinada, y ademas comparar aparatos similares o de diferentes fabricantes.

FIGURA 2.2. Resumen de características de aparamenta.

Interruptor automAlico

-A-

SI

SI

NO

SI

SI

NO

B.T. M.T.

- -

1 % , - Valor nominal. Valor de tina magnitud utilizada por el fabricante para designar un aparato. Normalmente se utilizan los valores de la inteilsidud y la !en.~ion non~inul~s , . Estos valores aplicados permanentemente al aparato en cuestion no provocan ningún pio-

m u bletiia en cuanto a su hncionamiento, ni calentamiento en tiingiina dc sus partes por enci- ' tna de lo permitido.

- Valor asignado. Valor de una magnitud fijado para un fiiiicioiianiicnto especificado , del aparato. Es decir, en unas determinadas condiciones dadas por parámetros tales como:

, temperatura, tensión, cosq, frecuencia de maniobra, vida iitil, etc. Por ejemplo, a iin iiite- 1 rriiptor o contactor con valores nominales fijados por el fabricante para unas condiciones 1 tipo (400 V, trifásico, 16 A), pueden asignársele valores diferentes cuando va a ser utiliza-

\ do eii circuitos con características diferentes a las nominales (circuitos intty itiductivos,

1 capacitivos, otras tensiones, ambientes especiales de temperatura, Ii~in~edad, etc.). l - Inlensidud prevista de un circiiito rcspecto a un aparato de conex1011 o fusible. Es cl

valor de la corriente que circularía en el circuito si cada polo del aparato fuera sustituido 1 por uh conductor de impedancia despreciable. Se emplea este coiicepto, por ejeiiiplo. al

, calcular las corrientes de cortocircuito.

1 -Poder de corte. Es el valor de la intensidad prevista que un aparato cs capaz dc inte- 1 rrumpir bajo tina tensión dada y en las condicioiies previstas de einpleo y funcioiiainiento.

'ara poder comparar aparatos por su poder de corte sc deben referir a las niisinas condi- niones de ensayo normalizadas. Los valores normales de los poderes de coi te de los apara-

! ,os eléctricos están coinprenditlos entre 1.5 y 100 kA. En BT el poder de corte se da en kA, y representa el valor eficaz dc la componente periodica de la corriente de cortocircui- to prevista en el punto donde se instale el aparato.

1 Para cada tipo de aparato, las normas indican de forma rigurosa las condiciones en

1 que se debe de realizar el ensayo (tensión de restableciiniento. cosq, etc.) y otros ensayos adicionales que permiten conocer las condiciones en que queda el aparato tras el ensayo

1 de coríocirc~iito. i. -Poder de cierre. Definición idéntica a la de poder de corte, peio refeiida a la intciisi-

( dad prevista qiie un aparato es capaz de establecer en un circuito Lai contliciones pre\.is-

' ! tas de empleo y funcionamiento se refieren al tipo de circuito que se va a conectar y a la intensidad nominal, tensión del circuito, corriente de cortocircuito niaxima que se pucde / presentar, cosípdel circuito, que puede ser resistivo, indiictivo, capaciiivo. etc.

! En las normas se especifican con todo detalle las caracteiisticas del circuito donde sc

/ realizan los ensayos para que de esta forma el usuario, al adquirir un equipo que haya sopor- tado, según el fabricante, un ensayo dado, sepa las prestaciones que puede exigir al aparato

interruptor en carga

4-

NO

SI

NO

SI

NO

NO

M.T. B.T.

-. - -

Fusible

-€E!-

SI

NO

NO

NO

NO

NO

B.T. M.T. --

Conlactor

+-+ NO

SI

SI

SI

SI

NO

B.T. M.T.

- -

Seccionador

t NO

NO

NO

NO

NO

SI

M.T. B.T.

.~

~ .

APARAMENTA ELÉCTRICA DE BAJA TENSIÓN 37

\ ''unque este capinilo se a aparamenta de Bi. gran parte de las <lefiniciolies y ,

' , L~~ conracros de arco se diseñan para que Se cebe el arco entre ellos al abrir Y iio conceptos aquí exPliestos pueden aplicarse, en prillcipio, a alta tens,bn, '

. entre los principales, evitando su erosión. Se fabrican con materiales altamente resisteiites ..al.arco, como el tungsteno.

, cuando se abre el interruptor, primero se separan 10s Contactos principales, niaiite- 2.2- (nterrupfores automáfieos

;. . niéndose la corriente por 10s contactos de arco; a continuación se separa11 10s contactos [le ! ' ' arco, estableciéndose el arco eléctrico entre ellos y no entre 10s Contactos principales'

Según la norll'a EN 'In autoniatico es un aparato nlccanico de el arco se debiendo llevar el interruptor 10s dispositivos adecuados capaz de establecer, soportar e interrumpir corrientes en las Con~icionesnornla-

. para garantizar la rápida extinción de ese arco. Ics (le' en qile esti instalado. Además es capaz de establecer, diliinte ' . L , secuellcia de cierre es inversa a la descrita. Al diseñar 10s contactos de esta foi-nia tielnpo e interrumpir corrientes en condiciones anormales especificadas se evita el desgaste de 10s contactos principales y el co l l~ i&~iente aumento de la resistei'cla del circuito, tales como las de cortocircuito. i l . .

j . . . de contacto. fiincibn Principal de 10s interruptores aiitomátjcos en los circuitos es de , . - ~ b ~ , ~ ~ . ~ de e,rtincióii o npagac/tispas. Es una parte del interruptor automático a la qL1'? 1 , . ~ ' i r ~ i e c c M i l ~ Ya al estar dotados de iin elevado poder (1.5 a lo0 kA) tienel, la ,, , -, Se transfiere el arco y en la que se dan condiciones favorables para su extincihll noini;i'-

iii'sibiliíiact 'le iiesco"ec'ar o f l ton l~ l i~~mei i* corrientes de sobrecarga o de cortocircuito , mente por alargamiento por soplado magnético y10 eléctrico y por cnfrianiiento.

¿irites de que la instalación sufra daños. I - ~ ~ ~ ~ ~ i ~ ~ ~ES un conjunto de palancas, levas y muelles que permite la Werturn lambién la función de marlif0. CS decir, la posibiliclad de conec-

: manual o automática de los contactos, asi como el cierre y el mantenimiento en esta \?OS~-- "' ' ('esconectar circuitos a volilntad isuario bien niaiiuaImente o a (iistancia mecliali- , ci6n de los contactos móviles. re accionsiniento eléctrico.

I Realiza las siguientes funciones: crractcristica a resaltar (le los interruptores alltoii,~ticos es limitación ell i : 'I

nunlet-o y fmL'encia de las a realizar. que baso, sobre todo si se pro~ilceil . Acumillación de cuando se prodllce e] cierre de los contactos, parte de 'lesconexiones con valores de la corrieiite próxima a su poc{er de corte.

ellergia mecánica al sistema de accionamiento queda ahacenada iiorlnal- Escncialniente illterruptor ~Ut~ma i i co se comp~lie de los sigliielltes elenlentos: 1 . mente mediante el estirado o tensado de muelles, que quedan en disposición de pro-

1 .. votar una aperkira rapidísima de los contactos cuando se libere esa energía, ll'edi¿'n- I " '~g( ) 'le c o f l * ~ f ~ ~ ~ . f i ~ ~ ~ ~ 111fivilr.s. Tienen como ~ ' ~ j n ~ i ó ~ conectar y descoriectar , te el dispositivo adecuado. liondc csti illstalado el interruptor. En 10s i~~~errllptorcs de lina

entidad eiis- 1 . ~~~~~~~i~~~~ la presión entre contactos fijos y nlóviles cuando estAi1 "" 'los ti~iOs de Contactos en cada polo: los prijtcipab y los de (rigura 2,3), posicióll de cerrados, de forma que la resistencia de CO1ltacto sea ['aja. . permitir el cierre independiente. Normalmente ei cierre de 10s interrilptores aiitoiiii-

ticos se realiza de forma rnaniial, aunque en los de mayor intensidad el cierre pue(lc realizarse adelnás eléctricamente y a distancia mediante la accion de U11 motor. El mecanismo consigue que la maniobra de cierre se realice ~ielllpre nlismo l ~ l o d ~ y en el tiempo, independienterneiite de cómo actúe el operador 0 el sistei1la de accionamiento.

- ~ i ~ ~ ~ ~ d ~ ~ ~ ~ ~ . Son dispositivos que actiian sobre 10s elenlentos de retención del mecanislno, liberando la energía acumulada y provocando la apertura (le 10s cotitacto:;

I ! . . . cuando se dan las condiciones adecuadas.

'lGuRA 2.3. Principio de funcionamiento de los contactos principales y de arco, ! . . - ~ ~ d j ~ En la mayor parte de 10s interruptores atitoináticos de BT. cll¿llldo S('

! : separan los contactos, el arco electrice se establece en el aire. Sin embargo, en 10s dt: 1 . mayor intensidad nominal, la zona donde estan 10s ~0ntaCtOS y donde se prodtlce el L"inción 10s collfoct~)~ p.iitcipa¡es es conducir la corriente del circuito de 1 ..

I puede estar en otro medio distinto al aire. "" cLlando e' interrll~tOr esta en posición de cerrado. Deben presentar, entre otras, las usualmente se utiliza el hexafluoruro de azufre (SF,) O el vacío. En los interruPtores sigiiientes Caractefisticas: baja resistencia eléctrica de contacto, alta conductividad electri- ; de SF, el arco se apaga con mayor facilidad lo que, junto con la elevada rigi(lez dielCctri-

1 " y y poca tendencia a soldar. Se fabrican utilizando aleaciones de plata con ca del SF,, permite disminuir las distancias entre contactos. En el caso del vacío- el arco níquel, paladio o cadmio. N '

i , . prhcticamente no se presenta, por 10 que permite disminuir considerableniente el talnafio

de los aparatos y aumentar el número de maniobras. Estas nuevas técnicas de apagado del arco en BT son adaptaciones de técnicas empleadas con éxito en aparamenta de AT. !

En las figuras 2.4, 2.5 y 2.6 se pueden observar tres interruptores automáticos, sus i partes constitutivas y con tres tipos diferentes de mando manual: pulsador (figura 2.4), ,

palanca (Figura 2.5) y giratorio (figura 2.6). 1 j

Cámara de extinción Contacto fijo Puente de conexidn Pulsador de accionamiento Disparador de sobreintensidad electromagn6tico rápido Disparador de sobreintensidad térmico retardado

FIGURA 2.4. Interruptor automático, mando normal con pulsador. 1

i

APARAMENTA ELÉCTRICA DE BAJA TENSION 39

1. Chrnara de extinción 2. Contacto fijo 3. Contacto móvil 4. Mecanismo de conexión 5. Disparador de

sobreintensidad electromagnético rápido

6. Disparador de sobreintensidad térmico retardado

FIGURA 2.5. lnterruptor automático de caia moldeada, mando con palanca.

1. Cámara de extinción 2. Contacto fijo 3. Contacto móvil 4. Mecanismo de conexMn 5. Disparador de

sobreintensidad electromagndtico rápido

6. Disparador de sobreintensidad térmico retardado

FIGURA 2.6. Interruptor autombtico, mando normal giratorio.

l

1 APARAMENTA ELÉCTRICA DE BNA TENSIÓN d 1

I , 2.2.1. Disparadores

1

,Según la norma UNE EN 60947, disparador de iin aparato mecánico de conexióii cs : un dispositivo unido mecárzicanzente al aparato, capaz de liberar los elementos de reten- 1 ción del mecanismo que provoca la apertura o cierre del aparato. Los disparadores dc i i r i

f ititerruptor automático pueden ser de dos tipos: directos o indirectos.

1 1

/ A) Disparadorer directos 1 1 Estos disparadores están recorridos por la intensidad del circuito principal o de polen 1 cia del interruptor automático. Actúan cuando la corriente es superior a un valor detei.ini-

nado (intensidad de actuación, 1"). También se les suele denominar disparadores

j. primarios. Los interruptores automáticos suelen llevar dos tipos de disparadores directos:

r - De sobreintensidad y tienzpo in~~erso. Su funcionamiento se basa cn la deformación debida al calentamiento producido por la corriente que atraviesa el disparadot.

1 N que suele estar formado por una lámina bimetálica de dos elementos conductoies

l de diferente coeficiente de dilatación. Su principio de funcionamiento puede vcr

I se en la figura 2.7. Estos disparadores se utilizan normalmente en la proteccióii l contra sobracargas. Se les denomina también disparadores térnlico,~.

FIGURA 2.7. Principio de funcionamiento de un disparador tértnico.

j I

t - De sohreintensidady retardo independiente. Su funcionamiento se basa en la fueiza I

l electromagnética producida por la corriente en la bobina de un electroimán. Se iitili-

: zan en la protección contra cortocircuitos. Se les denomina tanibién disparadores i electromagnétic~s o magnéticos (figura 2.8). 1

1

APARAMENTA ELÉCTRICA DE BAIA 'TENS~ON 43

FIGURA 2.8. Principio de funcionamiento de un disparador electromognético.

i B) Disparadores indirectos

i I . A diferencia de los directos, éstos son activados por una intensidad proporcional a la

C del circuito principal, obtenida mediante transformadores de intensidad o resistencias / calibradas (slrunts). Su funcionamiento se basa en la utilización de circuitos e l e c f i i ~ i - I cos que permiten establecer las condiciones de disparo con precisión. Debido a sii cons-

titucibn pueden ser utilizados para diversas gamas de intensidades, sólo hay que cambiar

1 ' los transformadores o shunts.

C) Disparadores securrdai-ios I

I Actiian por la acción de una señal eléctrica (tensión o corriente) que puede ser gene- ' rada en un circuito auxiliar. Físicamente iin disparador indirecto es uri pequeño clectroi- i mán' que actúa sobre un enclavamiento del mecanismo del interruptor automático, cuaii- ! do por la bobina del electroimán pase o deje de pasar corriente. quc en general es I independiente de la corriente que circula por los contactos principales (figura 2.9). Piie- ; den ser de dos tipos: i La intensidad de actuación de los disparadores térmicos y electromagnéticos puede , -Disparador shunt o de emisión de corriente (figura 2.10). actiiaii ciiando pasa

ser ajustable o no. En caso de ser ajustable se le denomina, también, intensidad de 1-cgiila- 1 corriente por su bobina, que iiormalinente no está alimentada.

ción ( Ir ) . La figura 2.9 representa esquemhticamente un interruptor automático, con siis -Disparador cle iilíilinla tensi(jn (figura 2.1 l), que funcioiiaii con lógica contraria a

tlisparadores directos terinico y electromagnético y en la figura 2.12 puede observarse la 1 ' los de emisión de corriente. La bobina de disparo está conectada a un circuito ali- forma de la curva de disparo dc los dos tipos de disparadores directos. mentado por una tensión auxiliar, que cuando se anula o bala de iin deterniinailo

Contacto relb

/ Disp. 2'

Ctos. principales

Disp. lo térmico

Disp. lo Electromag.

FIGURA 2.9. Esquema completo de un interruptor automático.

1. ' ;. ' valor provoca la actuación del disparador. Este disparador puede servir para vigilar il : .. . . ' la tensión de red y piiecle tener una característica retardada para evitar el disparo I'. , , . !- . . ' ocasionado por variaciones instantáneas de la tensión de red.

! FIGURA 2.10. Disparador de emisión I de corriente. 1 8

FIGURA 2.1 1. Disparador de mínimo tensión.

Los dos tipos de disparadores secundarios permiten la apertura del interniptor auto- n~iitico por la acción de un elemento exterior, como puede ser un relé (contacto b,), o un pulsador (1) que permite el mando a distancia del interruptor automático. Sobre un disparador puede actuar más de un relé, en ese caso en las figuras 2.10 y 2.1 1 aparecerían mas contactos b, en serie o en paralelo respectivamente. Los interruptores automáticos puede11 llevar o no disparadores secundarios, en caso afirmativo disponen sólo de uno de ellos. En la figura 2.9 se ha incluido un disparador secundario.

Hay que resaltar la cliferencia conceptual entre disparador y relé. Los disparadores, tanto los directos como el indirecto si lo llevan, forman parte del interi-iiptor automático y provocan la apertura de sus contactos actuando sobre el mecanismo correspondiente.

Los i.elés son dispositivos externos al interruptor automático y pueden estar ubicados le-jos de él, vigilan alguna magnitud fisica (eléctrica o no), y cuando la riiagnitiid vigilada supera el valor de tarado cambia la posición de unos contactos pertenecientes al propio relé; éstos estan intercalados en el circuito de alimentación de un disparador secundario y al cambiar las condiciones de alimentación del disparador se produce la apertura del IA.

Es conveniente recordar que, con frecuencia, en el lenguaje práctico a los disparadores ilircctos o primarios se les denomina también relés, lo que puede dar lugar a errores de inicrpretación.

2.2.2. Caracterísficas de los ínkrruptores oufomáficos

Para entender con precisión algunos de los conceptos que a continuación se van a comentar se requiere un nivel de conocimientos superior al exigible a iin lector principian- te. No obstante se incluyen coti objeto de ir introduciendo al lector en estos tenias, cuya comprensión se irá mejorando cuaiido se estudien próximos capítulos, en concreto el 5.

Entre las características que definen un interruptor automático aquí se resaltan las más inipoitantes. para más detalles se deberá consultar la norma UNE EN 60947-2.

- Niiniero depolos. Pueden ser bipolares, tripolares o tetrapolares; nornialmente en las aplicaciones industriales se eniplean los dos últimos.

- Naturaleza de fa corriente. Pueden ser de corriente continua y alterna; eii el seguiitlo caso debe indicarse la frecuencia.

- Tensiones asignadas (U,,). Se puede distinguir eiitre tensión de enil~leo a.~igifor/a ([),,l. aquella a la que se refieren los poderes de corte y de cierre así como las categorías cic comportamiento en cortocircuito. y teiuión de ai.~lnriiiento asigrioda (U,) , que es el valor de la tensión que sirve para designar el aparato y al que se referirán los ensayos die- lectrico~, las distancias de aislaniiento y las líneas de fuga. La tensióii de empleo asignada e s menor o igual a la de aislamiento asignada.

- Intensidad térmica asignada (Intensidad asignada) (1"). Es la máxima corriente que el interruptor puede soportar en servicio continuo indefinido, sin qiie se superen en ningu- na de sus partes las temperaturas máximas admitidas por la norma; corresponde con la ~ntensidad térmica convencional ( I , , ) al aire libre. Los valores de la I,, de los interruptores automáticos suelen oscilar entre 16 y 4.000 A.

-Poder de corte asignado en cortocircuito (5). Es la máxima corriente de cortocircui- 1 to que el fabricante del interruptor automático garantiza que puede cortar con una tens10n

1 de restablecimiento un 10% mayor que la tensión de empleo asignada, un factor de poten- .ia determinado (que la norma especifica en función de la intensidad iioniinal del irite- ruptor automático), en unas condiciones determinadas, definidas por una "catcgoria rle :omportamiento en cortocircuito".

1 El poder de corte se especifica por el valor eficaz de la compoiiente perri>diccr tlc la corriente de cortocircuito previsto; se expresa en kA. Segiiii la norma UNE. el iiitcrr~iptoi

1 debe ser capaz de cortar cualquier cortocircuito con una componente periódica prcvista ib valor eficaz menor o igual que el poder de corte especificado, con una teiisibii dc restahlc- cimiento de hasta el 110% de la tensión de empleo asignada. y el cosq dc la corricntc inayor o igual que un valor especificado en la norma.

- Poder 'fe cierre asigiiodo ee cortocirci~ito. Es el máximo valor de la coriienle (le I ' cortocircuito que el fabricante del interruptor autoinático garantiza clue puede establccci, ' para una tensióii de empleo dada, eii las condiciones definidas por una categoría de coiii- ' portamiento. 1 - Categot.ia de cori~~~otatnieiito en cortociirtrito. Soii unas cotidiciories de utilizacioii

normalizadas (definidas por una secuencia de maniobras y por el estado final en qiic queda el dispositivo) que sirven para definir los poderes de corte y de cierie eii cortocircuilo (le los interruptores automáticos.

.Para definir el poder de corte se establece11 en la norma UNE EN 60947 unos eiisayos. que deben cumplir rigurosainente los interruptores. En estos eiisayos se sonieie ;I

! los.aparatos a una secuencia de ii~aiiiobra de apertura (O) y cierre (C). separatlas un ., . ,

, . intervalo de tiempo especificado ( t ) , y realizadas con iina corriente igliíil al poder (le 1 . corte. Tras el cierre de los contactos, la apertura es iiinicdiata. o sea sin retardo inieii- i cional (CO). I ' '

1 . Los eiisayos se realizan estaiitlo el iiiterruptor instalado cn ii i i circiiito perlectan~eiite I : .

definido por las normas, por lo que las aperturas y cierres de los c«ntact«s se realizarári cii 1 . , presencia de iiiias corrientes y en unas condicioiies (tensibil. cos<p. eic.) <leteriiiiiiiitlas por ' el circiiito. Tras la realización de esos ensayos se verifica el estado final del aparato soine- tiéndolo a otros ensayos o coniprobaciones que debe superar.

I . . Según los ensayos que soportan los aparatos se definen dos podercs de corte: 1 . :.

1 i Poder de corte liltimo asignado (lc,,). El aparato se soniete a iiiia secuencia tlc 1 . . iiianiobras [O-t-COI con una corrieiite de corte igual a I,.,,. Tras re~ilizar csta sectieii-

cia, el aparato debe quedar en condiciones de condticir la corrieiite iioiiiinal y de proteger frente a sobrecargas, pero no se garantiza el fiiiicionaniiento correcto en

1 :,. caso de cortocircuito. El estado final se verifica realizando el ensayo de rigitlez die- I léctrica y comprobando el funcionatniento de los disparadorcs de sobrecarga. j . Poder c/e corte en servicio asignado (IC,J. El aparato se sonietc a uiia scc~ienciii Je ! ! , . ,

maniobras [O-t-CO-t-COI, con una corriente igual a 5,. Tras esta seciiencia el iiiterruptor debe quedar en perfectas condiciones de funcionamienlo. cumpliendo toclíis sus funciones.

l


l Tras este ensayo se realizan otros: de calentamiento, de comprobación de rigidez die- , 1: Iéctrica y de funcionamiento de los disparadores de sobrecarga. Estos ensayos deben ser

j superados para verificar el estado final.

Actualmente, el poder de corte ultimo puede llegar a superar valores de 200 kA. El valor del poder de corte de servicio (IcJ se expresa por un porcentaje del Ic,,, Ir$ = k . Ic,,. ; siendo k = 0,25,0,50, 0,75 o 1.

Al seleccionar un IA para una aplicación concreta hay que comprobar que sri poder de ; corte (Ir) es mayor que la máxima corriente de cortocircuito permanente que puede pre- sentarse (icC,) en el punto donde está instalado, ic 2 iK,, (ver capítulo 6). En la mayor parte ; de los casos csta comprobación se realiza utili7ando el poder de corte último (/= I<,,), ya 1 que estos aparatos son de menor coste que los del mismo valor en kA referidos a poder de i

corte de servicio. 1 l El niimero de cortocircuitos que puede despejar un aparato elegido de esta forma 1

es bastante limitado, pues la vida del interruptor (niimero de cortes) es más reducida ! cuando niás se aproxima la corriente de cortocircuito prevista al poder de corte Ultimo clcl aparato. !

Para seleccionar los IA de mayor responsabilidad en la instalación se utiliza el poder j de corte de servicio (Ic,) para hacer la comprobación anteriormeiite citada (I<" 2 I,<,,,), con ; lo cual el aparato scleccionatlo cs mas caro, pero se aiinicnta la fiabilidad y la continuidad de se'rvicio de la instalación.

- Cal~goría de empleo. Sc definen dos categorías (A y B) en fiincióri de que el inte- ' rriiptor esté preparado para la selectividad cronométrica (B) o no (A). Así pues los inte- 1 rruptores de categoría B adniiten iin retardo intencionado en su disparo. Esto significa que en la figura 2.12 el tiempo !, puede ser variable, equivalente al margen de ajuste Z, de la curva dc la figura 2.16.

1

-Intensidad de corta duración adnzisil~le. Esta característica se define para los interruptores de categoría de empleo B, e indica el valor eficaz de la intensidad prevista de cortocircuito que puede soportar el aparato durante el tiempo de retardo a la desconexióii. Los tiempos de retardo para los que se da esa intensidad son de 0.05, 0,1, 0,25, 0,s y I segundos.

- Ntiniero de disparadores y tipo. Generalmente disponen de disparadores directos o indirectos de tiempo inverso (térmico) y dc retardo independiente (magnético). Estos <lis- paradores pueden ser fijos o ajustables, permitiendo en este caso fijar el valor de la intensidad de actuación dentro de iin margen o introducir un retardo en el tiempo de disparo. También pueden disponer o no (a voluntad del usuario) de disparadores secundarios.

- Curva característica de disparo I(t). Da los valores del tienipo de disparo de los (lis- paradores directos en función de la corriente.

Estas curvas se dan para una temperatura de referencia (30') y el fabricantc debe indicar la influencia de la temperatura en los valores de la curva.

Las curvas de disparo tienen una precisión, que según norma es del +20% de la inteii- sidad de regulación para el disparador magnético y *lo% para el térmico.

Cuando se dan las características de un interruptor automático se da el valor de la intensidad asignada (I,,) y también los márgenes de regulación de los disparadores que dis- pongan. Por ejemplo, en el interruptor de característica i// similar al de la figura 2.16. suponiendo una intensidad asignada I,, = 100 A, pueden ajustarse los disparadores (le sobrecarga (a) en el intei-valo (80-1 00 A); esto significa que el interruptor lleva un dispositivo tal que si se fija la intensidad de regulación (1,) en un valor (p.e., Ir = 85 A) la curva de disparo actúa de forma que las abscisas se toman en valor relativo a este valor I,.

: Igualmente se puede regular el disparador magnético (z , ) entre 500 y 1 .O00 A, para el interruptor dc I,, = 100 A; esto significa que se puede escoger la corriente dc actuación (I,,) del disparador instantáneo frente a cortocirc~iitos entre 500 y 1 000 A (p.e., l,, = 850 A). Hay fabricantes que dan la Ia en fiinción de Ir.

Para poder interpretar las curvas dc disparo es necesario recurrir a otros conceptos qiic da la norma referidos a los disparadores de sobreintensidad de tiempo inverso:

hitensidad corlverlcional de rro ri'eL~correxión (I,,,). Es la máxima intensidad para la cual se garantiza que no se producirá el disparo en iin tiempo igual o superior a uri

, valor límite, llamado tiempo convencional (tC). Infensidad conveizciorial de descoiiexióil (1,). Es la iníiiima corrienle quc garantiza cl disparo en un tiempo inferior al tienipo convencional.

Estos valores están normalizados y valen:

FIGURA 2.12. Características de disparo del interruptor automático.

El tiempo convencional es de 1 h si la intensidad asignada (I,,) del aparato es I,, 5 6 3 A. y ,de2hs i l a In>63A.

- Cuma Pt. Son curvas que dan el valor de la integral

desde el instante en que se produce el cortocircuito Iiasta que se extingue, en función de la corriente simétrica de cortocircuito prevista I;(figura 2.13). Representa la energía disipada durante el cortocircuito en una resistencia de I Ohmio y da idea de la energía que el interruptor automático deja pasar durante el cortocircuito y que se disipa en la parte de la instalación protegida. El valor del 12t sirve para determinar la temperatura que alcanza el cable situado aguas abajo del interruptor durante el cortocircuito (capitulo 6).

Corriente de cortoclrculto Icc -

FIGURA 2.13. Curvas 12t de un interruptor automático.

- C~rrvus curacferisticas de Irrnitación de corriente. Hay interruptores automáticos, actualmente la mayoría, que funcionan segun el principio de limitación de corriente. Cuando se presenta un cortocircuito, la corriente se extingue dentro de la primera sernion- da, con tiempos de extinción (t,) menores de 10 ms, y se limita la energía (12r) liberada durante el fallo. La figura 2.14 representa la corriente prevista dc cortocircuito (primera semionda) y la evolución de la corriente durante el proceso de corte. La curva de limita- ción de corriente (figura 2.15) da el valor máximo de la corriente limitada (I,,,,,,,) en fun- cion del valor eficaz de la componente simétrica de la corriente de cortocircuito (Ii'j.

Ejeniplos de curvas de disparo

En el mercado se pueden encontrar interruptores automáticos con diferente numero de disparadores y con diferentes posibilidades de regulación. La figura 2.16 representa un interruptor automático con tres disparadores directos y diferentes posibilidades de regulación:

Corriente prevista (sin I.A.)

Evolución de la corriente (con I.A.)

Corriente de cortocircuito limitada 1,

1 200 k A

1 O0 80

40 VF

20

1 o 8

4

2 5 7 10 2030 5070100 Corriente de cortocircuito 1, -

FIGURA 2.14. Limitación de corriente. FIGURA 2 15. Curvas características.

l

a Disparador con relardo dependiente de la corriente n Disparador sin relardo z Disparador de la corrienle con retardo independienle

z, Margen de ajuste de la corriente de reacción del disparador z

z, Margen de ajuste del tiempo de retardo del disparador z - '11,

FIGURA 2.16. Ejemplos de curvas de disparo de un interruptor automático

r

APARAMENTA ELÉCTRICA DE BAJA TENSIÓN 5 1

Curva a, disparador de sobreintensidad de tiempo inverso ajustable (térmico). El ,

ajustc permite seleccionar 1,. dentro de un rango. Curva z, disparador magnético de sobreintensidad con retardo independiente ajusta- '

ble (2,). Intensidad de reacción ajustable (z,). Curvá n, disparador magnético de sobreintensidad instantáneo, con retardo iib ajustable. Intensidad de reacción ajustable (ni).

2.3. Interruptores "magnetotérmicos"

Con esta denominación se designa a los pequeños interruptores automáticos (PIA) para usos domésticos y análogos (sector terciario), empleados para ,po@c~o-n-dqconduc- tores con~.sobrecorrdgntg&,

S& pues interruptores automáticos, con corte en el aire, con intensidades asignadas (< 125 A) y poderes de corte (< 25 I<A) limitados, que están diseñados para ser usados por personas no especialistas y que no necesitan mantenimiento.

Su constitución modular facilita su instalación. y, como tanibien se han aplicado en instalaciones industriales de poca potencia, recientemente se han aunlentado sus valores máximos de intensidad asignada (I,,) y de poder de corte hasta los valores indicados ante- '

riormerite. Más información y datos sobre estos aparatos se recogen en la iiorma UNE EN 60898. Las características que cliferencian estos aparatos del resto de los interruptores aiito-

ináticos son:

- Disponen de un disparador directo térmico y otro electromagnctico, ambos sin posibilidad de regulación.

- Normalmente no disponen de disparadores seciindarios, aiinque algunos fabricantes permiten adaptar opcionalmente un disparador secundario.

- Las características de disparo I(I) están norinalizadas. Esto significa que, al hacer los ensayos de los prototipos de acuerdo con las normas, las curvas de disparo resul- tantes deben estar incluidas dentro de unos márgenes (figura 2.17).

A continuación se indican y comentan sus principales características:

- Nuniero de polos. Pueden ser unipolares, bipolares, tripolares, tetrapolares. En el caso de los interruptores bipolares y tetrapolares, uno de los polos (neutro) puede no estar protegido, es decir, sin disparadores directos.

- Tensión asigr~ada de eni~~leo. Hasta 400 V en corriente alterna; pueden utilizarse también en corriente continua.

- Interisidad asignada (de 6 a 125 A). Aunque la norma EN 60898 da una serie de valores preferenciales comprendidos entre los valores citados, en el mercado se pueden encontrar fabricantes que ofrecen en sus catálogos interruptores similares desde 0,5 A de intensidad asignada.

- Frecuencia asignada (50, 60 1-Iz).

Ctrwas ca~ncteri.~ficas de disparo I(t)

A) Disparcidores electromagr~é~icos. Se dan unos márgenes de disparo instantáneo, según tres tipos de curva (cuadro 2.1).

CUADRO 2.1 Disparadores electromagnéiicos. Márgenes d e d isparo

Esto significa que, partiendo del estado frío del disparador, para la intensidad correspondiente al margen inferior el tiempo de disparo es superior o igual a 0,l segundos (nun- ca inferior) y para valores de la intensidad correspondientes al margen supcrior el tienipo de disparo es inferior a 0,l segundos.

La curva B suele utilizarse para protección de líneas de g r ~ I ~ n g ~ _ & ~ c u r v a C se utiliza para protección de líneas con algiin consumo. que puede ser iluminación, incluido en la protección; téngase en cuenta que las corrientes de arranque podrían provocar más fácilmente el disparo de interruptores tipo B, con sólo 3 I,, de margcii inferior de disparo. La curva D es apropiada para la protección de equipos con intensidades de arranque altas.

Existen curvas tipo A, no contempladas aún en la norma, utilizadas en la protección de líneas que alimentan semiconductores.

La figura 2.17 muestra estas curvas junto con la de los disparadores térmicos, que es única. Obsérvese que la selectividad entre interruptores magnetotérnlicos depende del valor de reacción de los disparadores magnéticos.

B C D

Tiempo límite

Características de conexibn según UNE EN 60898

MARGEkJ SUPERIOR TIPO

1. Valor constante de la corriente de no desconexión lo,= 1.13 1,: t > 1 h

2. Valor constante de la corriente de desconexión 1, = 1.45 1,: t < 1 h

3. 2.55 1,: t < 1 m (1, S 32 A) t<2m( In>32A)

4 .2 ,55 In : t> l s 5. Tipo B: 3 1,: f r 0,l S

6. 5 1,: t < 0.1 S

7. Tipo C: 5 1,: 2 0.1 S

8.101,:t<0.1s 9. Tipo D: 10 1,: t > 0,l S

10. 20 1,: t e 0.1 S

MARGEN INFERIOR

3 1" 5 1"

10 1" t > 0 , 1 s

FIGURA 2.17. Curvas características.

I

5 1" 1 0 1" 20 1"

t < O , 1 s

B) Dispuradores térriiicos. Se definen dos intensidades convencionales. similares a las definidas en el apartado 2.2.2.

bitensiclad coni~encional de no desconexi0r1 (I,,,), para la cual el tiempo dc descoiic- xión es superior o igual a un valor límite o tiempo convencional (t?). Intensidad convenciorial de disparo (I,), qiie provoca la desconexión en iin tiempo inferior a f,.

Estos valores son:

- Poder de corte asigrracio (c,,). Es el que figura en la placa de características del aparato. El ensayo es del tipo O-t-CO, con f = 3 minutos. Sus valorcs están riorinalizados entre 1,s y 25 kA.

La nueva norma, además, define el "poder tlc corte de servicio" (Itp); en este caso el ensayo es del tipo O-t-CO-t-CO. La norma indica una relación entre ambos poclcrcs de corte: I < , = KI con K 2 1 , (lependiendo su valor del de 1 (,,.

Tras los ensayos normalizados correspondientes al poder de corte (l(,), los aparatos deben soportar unos cnsnyos dieléctricos y de corte de corricnte normalizados, ciitre ellos el dc no desconectar con iiiia corriente dc 0,85 I,,, durante iin ticmpo coiiveiicional, tt.

Para el poder de corte asignado (o iiltimo) I,.,,, las prescripciones son otras. Debido al bajo valor del poder de corte de estos aparatos, si no se conoce con pre-

cisión la corriente cie cortocirciiito en el puiito doiitle se instalati o se preve que este valor pueda varia!; es corivenieiite proteger a los magnetotérmicos con fiisibles aiite- piicstos.

- Curva pt. Para los tipos U, C la norma clasifica los aparatos scgiin unos valores niáximos de Pt, función del poder de cortc asignado (I~,,) y de la iritcnsidad asignada (5 , ) .

- Hay otras características constructivas de los aparatos a tener en cuenta en su insta- lación:

Protección contra influencias externas: abiertos, cerrados. Sistema de montaje: saliente, en cuadro, para empotrar. Forma de conexión: enchufable, a tornillo, por espárragos.

Existen unos magnetotérmicos especiales (norma UNE 20-3 17) destinados al control de la potencia contratada en acometidas de baja tensión. A su característica de disparo riormalizada se le denomina ICP-M; la figura 2.18 muestra esta curva con sus datos de interés. Obsérvese que el tiempo para la intensidad convencional de disparo (Ir= 1,s l,, o 1, = 1,55 Irl) es menor de 15 minutos, o sea más reducido que en los interruptores magneto- térmicos normales.

A los interruptores automáticos empleados para la protección de motores con regula- ción de las curvas tkrmicas y10 magnéticas se les suele denominar guardarnotores.

Caracterlsticas de conexión según UNE 20.317.88

1. Valor conslante de la corriente de no desconexión In1= 1-1 1,: t > 1 h

2. Valor constante de la corriente de desconexión 1,=1.55 1,: t < 15m(1,,1,5A+ 1 0 A )

1.5 1,: t < 1 5 m ( I n 1 5 A + 4 5 A ) 3. 2 2 5 l,, = 2.48 1,: t < 1 m (5, 1.5 A + 30 A)

t < 2 m ( l O 3 5 A + 4 5 A ) 4. 2.25 1, = 2,48 1,: t > 1 S

5.51 , :1>0,1 S

6 .8 1,: t<O. l S

l / lhl

FIGURA 2.18. Curvas características ICP-M.

2.4. Fusibles

Un fiisible es un dispositivo que abre el circuito en el qiie cstá iiistal;ido cii;iiitlo corriente qiie circula por él provoca, por calentainienio. la fusión tlc tino o varios tle sus clc nieiitos previstos para este fin. El tiempo de fiisión, o tiempo qiic tiaiisciirre dcscle qiic .

/ aplica una corriente hasta qiie fiinde cl fiisiblc, depende del valor de In corriente aplicatla.

Este capítulo se refiere específicamcrite a fiisibles dc BT, de los que se pucde eiicoi trar mis información en la noriiia UNE 21-103 (EN 20-269). Gran parte dc los coiiccl)ic aquí reseñados pueden ser (le utilidad al cstiidiar los fiisibles tle alta tensiOn.

Un fiisible consta de dos partes básicas:

- Coiljuiitol~ortador: Es la parte fija del fiisiblc que siistciita el cartiiclio fiisible y qi dispone de los elenieiitos de conexión con el resto de la instalación. Consta piies de. l7o.v b3rrieLs y j~ortafu~ible con siis contactos. Eii algiin caso puede disponer de una ~IIV~IIJPIIIC-

- Cur-tuchojrsible. Es el elemento recambiable del fiisible. Está forniado por: cotrilr, tos, nislar~te y eleniento condzrctor.

El eleniento condzrctor es un hilo redondo o cinta destinado a fiindirse c~iando las corid ciones lo requieran. Suele ser de cobre, plata u otro material. Su sección piietle no ser unifo me disponiendo de tinos estrec/~ariiieiito.s en los que se inicia la fiisióii y se produce un arc eléctrico. Los fusibles pueden disponer de varios elementos conductores cii paralelo.

En la mayor parte de los fusibles, salvo los de calibre más peqiieño. los <?lonenrc conductor-es suelen estar clispuestos en un cartiicho de niaterial aislante (porcelari vidrio), que contiene un niaterial extintor., normalmente sílice (le grano fino y seco. qi rellena por completo el cartuclio y que facilita el apagado del arco.

F-- ! i APARAMENTA ELÉCTRICA DE BAJA TENSIÓN 55

1-lay cartuchos que disponen cie un iiidicador defirsión. También pueden disponcr de ,, u i i percutoi; que en caso de funcionamiento del fusible libere la energía necesaria para Iiacer funcionar otros aparatos (p.e., interruptores en carga) o para efectuar iin eiiclava- iniento.

En la figura 2.19 se pueden vcr los diferentes elementos p a n un tipo de fusible con- 1 creto. La figiira 2.20 muestra cl aspecto y el corte interior de fusibles cilíndricos y la figu- 1 i.a 2.21 representa un fusible tipo petaca.

1

I

Tapón roscado

Cartucho fusible

Fusible

Aro de protecci6n

Anillo de ajuste

Base

FIGURA 2.19. Conjunto portador y elemento fusible cilíndrico.

Conlacto inferior

Elemento fusible / ,

Alambre del indicador

Cuerpo cerárnlco

Cuarzo granulado

/ \ lndlcador Conlacto superior

FIGURA 2.20. Fusible cilíndrico.

Indicador de fusi6n

FIGURA 2.2 1 . Fusible tipo "petaca".

1 ' ' 2.4.1. Principio de funcionamiento de los fusibles

, , . .

1 . Cuando pasa una corriente por los elementos coiiductores de un fiisible se disipa enel.- l . ; , .gía por efecto Joule, que eleva la temperatura dcl conductor. Al rnisino tiempo que se cle-

1 va'la temperatura se evacua calor desde el elemento coiiductor al medio que le rodea (sili- ... . ce) y desde aquí al exterior. Segiiii sea el valor de la corriente y su evolución en el tiempo.

i pueden. producirse dos fenómenos:

~ a) Que se alcance una temperatura de equilibrio en los elementos conductoses. En cse caso la energía disipada por calentamiento en el fusible es igual a la evaciiada al medio ambiente. El elemento condiictor no fiiiide niientras la corrieiite está estabi- lizada en un valor eficaz constante.

/ . ' . b) Que en el proceso transitorio de elevación de teinperatiira se alcance el plinto de 1 , i fusión del metal de los elementos conductores del fiisible. En este caso, los ele- I

; mentos conductores empiezan a fundir en las zonas de los c.~tr~chninieiítos; cuando I . se produce un corte en los estrechamientos se inicia un arco eléctrico que se alarga

, . rápidamente, produciéndose tina gran disipación de energía. iiiia rápida elevacióii

! ' . de la temperatura en las proximidades del arco y expiilsion de vapores n~etálicos

, . . 1 , .

del elemento 'conductor. La función del material extintor consiste en conderisar los !, , . vapores metálicos enfriando el arco, facilitando su apagado y, en el caso de que la i tensión y la corriente sean alternas, dificultando el recncendido del arco tras iin ' i paso por cero de la corriente. I'

; ' , El /ien~po de.funcionaniienfo ( t , , , ) del fusible es el tiempo que traiisciirre desde que

[ : empieza a circular la corriente I(t) que provoca la fusión del fusible Iiasta que se extingue i esta corriente. Consta de dos partes:

l Tiempo deprearco ( t l ) , o de fusión, que es el tiempo que transcurre hasta que se iiii-

i cia el arco.

j '

I I

Tienzpo de arco ( t") , O tiempo que transcurre desde el inicio del arco hasta su extin- ción.

Para valores de t > 0-1 S, l , , , , G tr El tiempo de funcionamiento (t,,,,) puede variar ainplianicnte en función del valor de la corriente y su evolución en el tiempo, desde varios o muchos períodos, segun sea el valor eficaz de la corriente de sobrecarga, hasta muy pocos períodos, o incluso puede cortar el arco antes del primer semiperíodo para el caso de altas corrientes de cortocircuito. A los fusibles que cortan la corriente de cortocircuito antes de su primer paso natural por cero tras establecerse (ti,,,, 5 0,01 s) se les denon i n ~ i i b l e liinitacior-es.

Si el valor de la corriente que se establece en el circuito es superior al poder de corte, el fusible no es capaz de extinguir permanentemente el arco, se disipa gran cantidad de energía y el cartuclio fusible puede destruirse.

Las características se referirin. salvo indicación en contra, a fusibles para baja tensión según la norma UNE 2 1-103.

Las características que definen el coojlirzto portcrdor son:

- Tensión asignada. Entre 120 y 690 V ca y entrc 1 10 y 750 V cc. - Corriente asignada. - Clase de corriente. Puede ser continua o alterna; en este caso se debe indicar la frc-

ciieiicia. - Potencia asignada disipable adniitida, relacionada con la potencia asignada disipada

del cartiicho fusible. - Valor de cresta de la corriente admisible. - Número de fases, ya quc los conjuntos portadores pueden fabricarse para iin solo

cartucho o formando un conjunto que soportc varios cartuchos. - Dimensiones o tamaños.

Las características que definen al curtuckojiísihle son:

- Tensión asignada. La gama de tensiones asignadas coincide con la del conjuiito portador, aunque en su utilización la tensión asignada del cartucho puede ser inferior a la del portador.

- Corriente asignada. Sus valores son: 2,4,6, 8, 10, 12, 16,20,25. 32.40,50, 63, 80, 100, 125, 160, 200, 250, 315, 400, 500, 630. 800, 1.000, 1.250 A. A los conjuntos portadores pueden adaptarse cartiichos de diferentes corrientes asignadas (calibres). Su intensidad asignada es la del cartucho de mayor calibre que admite.

- Clase de corriente (cc o ca) y frecuencia en su caso. - Potencia asignada disipada. - Poder de corte asignado. Se refiere siempre al ensayo y la tensión de restablecimien-

to descritos en la norma correspondiente. Los fusibles son aparatos que se caracterizan por su alto valor del poder de corte, normalmente por encima de los 100 kA.

- Características tiempo-corriente. - Zona de ruphlra.

- Características de limitación. - Características pt. - Dimensiones y tamaños.

Los principales aspectos relacionados con las características de los cartuchos fiiisibles se comentan a continuación.

Características tiempo-corriente

Estas curvas dan el tiempo de prearco o de funcionamiento según la corriente prevista (valor eficaz), para las condicioties de funcionamiento iiidicadas en el ensayo efectiiado según Norma. Para tiempos superiores a 0,l s no hay diferencia en la práctica entre tieinpo de prearco y de fiincioiiamiento.

Las curvas características se dan para tina temperatura ambieiitc igual a la inicial dcl fusible de 20 "C y el crror admisible, en un tiempo dado, para la intensidad es menor (Ic *lOOh.

La figiira 2.22 muestra esquemáticamente el detalle de la obtencion de las curvas (figuras 2.220 y 2.22/7), la forma de la curva (figiira 2 .22~) y una familia dc curvas dc catálogo de un fabricante (Siemens) (figura 2.224.

En relación con las curvas I{t), se dan las siguientes definiciones (figura 2.23):

Inten.~idad coni~encional de itofi/sidn ( [ J . Valor de la corriente quc el cartuclio puede soportar sin fundir en un ticmpo dado (tiempo convencional, tc ). Inteiuidad cor~i~encional de,fiwión (1,). Valor de la corrientc que provoca la fiisióii cri un tiempo dado (tiempo convencional).

El valor del tiempo convencional lo fija la norma UNE 2 1 - 1 03 cn funcióii tlcl calibre del fusible, en su tabla 2 (válida para fiisibles tipo g, que se (icfineii posteriorinentc) (ver cuadro 2.2).

CUADRO 2.2 Tiempos y corrientes convencionales

1 I --I CORRIENTE CONVENCIONAL

1- t

CORRIENTE ASIGNADA 1, TIEMPO

CONVENCIONAL

1, 1, 1 (A, eficaces) Valor eficaz de la Intensidad de cortocircuito prevista Ip -

FIGURA 2.22. Curvas características de los fusibles. Obtención.

Las definiciones anteriores sirven para "normalizar" las características de los fusibles en la zona de tiempo de funcionamiento alto. Igualmente, para tiempos de funcionamiento bajos se definen las balizas (para fusibles tipo g), que son puntos límites dentro de los criales deben quedar comprendidas las curvas I ( f ) (figura 2.24).

La norma üNE da cuatro puntos baliza, para cada calibre de los fusibles. Dos de estos puntos son los valores mínimos de la intensidad eficaz con los que debe fundir el fusible en 10 y 0,l s. Se les designa como Ir,,,, (10 S) e Imirl (0,l S).

FIGURA 2.23. Curvas características. Valores convencionales.

1 o-'

FIGURA 2.24. Balizas para fusibles tipo g.

/ '

60 TECNOLOG~A ELÉCTRICA APARAMENTA ELÉCTRICA DE BAJA TENSIÓN 6 1

i i , . .

También se definen los valores máximos de la intensidad que debe provocar la fusión /. . . , '

l o 4 del fi~sible en 5 y 0.1 s. Se les designa como Imax (5 S) e Inlnn (0,l S). - VI -

En la tabla 3 de la norma citada se dan estos valores para tiempos de prearco; como. ! , . + 4

ejemplo se indican los valores correspondientes de las balizas para un filsible de I,, = 100 A: i, ' , ' '. 2 !

f ( i O s ) = 2 9 0 A I I n a x ( 5 s ) = 5 8 0 A 11,1~1(0,1 s ) = 8 2 0 A Illl,x(O,I S ) = 1 4 5 0 A 1 ' l o 3

1 : ' 4 Para aclarar conceptos se define a continuacibn s e g h norma el concepto tle dos de las 1 . . j magnitiides anteriormente citadas: 2

! l o2 l,,li,l ( 1 0 S), es el valor mínimo de la corriente para el cual el tiempo de prearco no es 1 ",

i . : . inferior a 10 s. Un fusible ensayado con IIlli,, ( 10 S) debe de fundir en más de 10 s. ., 4

t . . 11118, ( 5 S), es el valor mhximo de la corriente para el cual el tieiiipo de prearco no es , 2 superior a 5 s. Un fusible ensayado con lllls, (5 S). debe fundir antes (le 5 s. i

i . p . 10'

Segúii los valores definidos anteriormente y refle.jaados eii las tablas 2 y 3 de la Norma 1 4 U N E 2 1 - 103. se establece la selectividad entre fusibles.

A partir de las balizas piiede determinarse la selectividad entre fiisibles, para tieinpos 1 , A . 2

de f~isión superiores a O, I s. ya que para que dos f~isibles de calibrcs distintos y próxiinos j 10 sean selectivos las zonas que qiiedaii enfie las curvas teúricas límites definidas por las i balizas no deben solaparse (figura 2.25). Las curvas dc la figura 2.25 no corresponder1 a la 1 , '.

4

:ictual Norma UNE 21-103, se dan con ob.jeto de ayiidar a la coinprensi0ii del tema, en 1 ' , : 2

ellas se observa que los fusibles de 2 A y 6 A son selectivos. I :

10.' La selectividad para tiempos de fusióii inferiores a 0,l s depende de las curvas Pi. ;

, ' 2 3 4 5 10' 2 3 4 5

2.4.2. Denominación de los fusibles FIGURA 2.25. Selectividad entre fusibles.

Los fiisibles se designan con dos letras. La primera indica el rango de corrientes o i zoiia de corte que el fusible es capaz de cortar. Se defiiieii dos tipos de fusible, según su t zona de corte (figuras 2.26 y 2.27): Zona decorte

Los fusibles de tipo g (de tiso general), pueden cortar todas las corrientes por enci- Zonadecorte

ma de su corriente convencional de fusión hasta el valor correspondiente a su poder !

de corte. , .

Los fi~sibles tipo LI (de acompañamiento), garantizan el funcionamiento sólo para i valores superiores a un determinado valor K21,,, con K2 = 3-4, hasta el poder de cor- i ,

te. En la figura 2.27 la curva 1 es la del fusible y la curva 2 la del elemento de corte asociado que protege para las sobrecargas de bajo valor.

Las caracteristicas g o o se definen en fiincióii de los ensayos que describen las nor- Poderde 1, I,, 1, k, 1, Poder de mas para cada tipo. Los fusibles tipo a suelen utilizarse para protección de motores, aiin- corte corte que también los de tipo g si se tiene en cuenta que la corriente del motor durante el tiempo 1

FIGURA 2.26. Curva tipo de fusible g. FIGURA 2.27. Curvo tipo de fusible a. de arranque no provoque la fusión del fusible. f

62 TECNOLOGÍA ELÉCTRICA

La segunda letra indica el tipo de elemento a proteger, ya sea cable (G), motor (M), semiconductor (R), minería (B), circuitos domésticos de baja intensidad, etc.

Así pues, se pueden encontrar fusibles con diferentes designaciones: gG, para cables (antes gL); gM y aM, para motores; gR y aR, para semiconductores; gB, para minería, etc.

2.4.3. Fusibles limitadores

Son aquellos fusibles que para una determinada zona de corrientes funcionan limitando la corriente a un valor sensiblemente inferior al de cresta previsto. Es decir, cuando se presentan altos valores de corriente de cortocircuito, el fusible funde antes de alcanzar la corriente prevista de cortocircuito su valor de pico por primera vez. Por tanto, el tiempo de funcionamiento es inferior a 10 ms. En la figura 2.28 la curva 1 representa la evolución de la corriente prevista, caso de no estar el fusible, con su valor de pico (Is

=Jccma)- La curva 2 representa la evolución de la corriente al fundir el fusible, con el valor máximo (IL) de la

corriente limitada.

O)

5 10 ms t

FIGURA 2.28. Fusibles limitadores. Evolución de la corriente.

Para estos tipos de fusibles se dan las curvas de limitación de corriente. La figura 2.29 muestra familias de curvas de este tipo, tal como aparecen en los catálogos correspondientes. En ella, el eje de abscisas representa el valor eficaz de la componente alterna de la corriente de cortocircuito y las ordenadas el valor de cresta de la corriente.

Hay dos familias de rectas. En la primera de ellas, designadas por "Componente de corriente continua" (IK) (0%, 50%, 80%, 100%), se obtiene el valor máximo instantáneo de la corriente de cortocircuito, utilizándose la curva correspondiente al factor de corriente continua % = RIX que corresponda al circuito donde está instalado el fusible (ver capítulo 6). La segunda familia de rectas, de menor pendiente, llevan un número indicativo del calibre del fusible correspondiente y dan en abscisas el valor de cresta de la corriente limitada.


200

KA 0%X=1, 100 80

60 Componente de corriente continua

-10 50% X =1.5

80% X =1.8

10

1 0.8

0.6

0.4

0.3

0.2 1 1 . 5 2 3 4 6 8 15 20 30 50 100kA

Intensidad alterna de cortocircuito inicial I (valor efectivo) con 50 Hz

FIGURA 2.29. Curvas de limitación de corriente.

Un ejemplo es el siguiente: supóngase una corriente de cortocircuitoIK = 20 kA. Los valores de la corriente de cresta, caso de no estar instalado un fusible limitador,

serían (figura 2.29):

Para # = 1, 7; = 30 KA •Para* =1,5, Ís = 44 KA Paraj= 1,8 / = 50 KA

Instalando fusibles limitadores, las corrientes de cresta que se presentarían serían, en función del calibre del fusible instalado:

Para /„ = 63 A, I,.< 6 KA Para In = 80 A, Para/ =100 A, IL<9 KA

De la misma forma se determina /,, para otros valores de 1.


I

2.4.4. Aplicaciones de los fusibles 1 Las principales características que presenta el contactor son las siguientes: I

Al ser un elemento de corte que abre el circuito cuando se producen iinas condiciones eléctricas determinadas, el fusible se emplea como elemento de protección tanto contra sobrecargas como contra cortocircuitos.

Su principal canlpo de aplicación está en la protección contra cortocircuitos, ya que el poder de corte del fusible es miiy alto, por lo que puede sustituir a los interruptores auto- máticos que, para valores similares de poder de corte, son mucho más caros. También suelen utilizarse los fusibles acompañando a interruptores automáticos y contactores con relés t6rmicos (ver capítulo 6).

Las principales ventajas de los fusibles son:

- Economía del aparato en relación con el servicio que presta. - Reducido volumen.

Los inconvenientes son:

- La diferencia entre la 4, y la Ir (ver figura 2.23 o cuadro 2.2), así como la gaiiia de inteiisidadcs dc los fusibles, que no corresponden siempre con la intensidad nominal del circuito a proteger, hacen dificil una proteccii~n estrictamente ajustada contra sobrecargas.

- En labores de mantenimiento se puede reemplazar erróneamente iin fusiblc por otro de calibre superior, obteniéndose una falsa protecci6n.

- En un sistema trifásico, si funde cl fusible de una sola fase. piicdeii seguir funcio- nando las máquinas sobrecargando las otras dos fases, lo que pucde dar lugar a avc- rías.

- Frecuencia y número de maniobras. Es un elemento que permite realizar un niimero muy elevado de maniobras y con elevada frecuencia; esta cualidad lo distingue (Icl resto de los aparatos de corte.

-Mando eléctrico a distancia. Permite mandar un equipo desde iin lugar alejado, actuando eléctricamente sobre la bobina del contactor.

- Autoinaticidad. Las dos características anteriores hacen del contactor el elcmerito apropiado para la realización de operaciones automáticas (en especial en instalaciones con motores), con el correspondiente circuito de maniobra.

- El contactor permite maniobrar cargas trifásicas de potencia elevada con señales (le potencia miiy baja (circuito de mando).

Entre los elementos que constituyen un contactor se destacan los sigiiientes:

- No admite la realización (le maniobras eléctricas, sólo hace las fiinciones tle protec- ción con~entadas.

l

l I - Sisleina de acciot~at~~iei~to. Está formado por el circuito eléctrico (le mando dcl con- 1 tactor, constituido por un circuito magnético con una parte fija y una móvil, y una

1 bobina (le excitacihn. El circuito de mando puede ser alimentado por corriente con-

1 tiniia o corriente alterna. - Contactos prit7cipales. Aseguran la apertura y el cierre del circuito principal. - Corilacto~ rruxiliares. Formarán parte de los circuitos (le maniobra en los procesos

i de automatización. Pueden forniar parte del circiiito de mando de otros aparatos de , , conexión.

La figura 2.30 muestra esquemáticamente los diferentes elementos que constituyen un

1 contactor, con su bobina sin excitar y los contactos principales abiertos. La figura 2.71

Contactos Este capítulo se refiere básicamente a fiisibles indiistriales de BT. y conscientemente

se ha resumido lo máximo posible. Para una información más detallada y concreta habría que dirigirse a publicaciones y normativa especifica. En concreto la citada UNE 21-103-

r - - - - - - - - - - - O 1 se refiere, además de a los fiisibles industriales de BT, a los domésticos y análogos y a 1 Contactos los iitilizados para la protección de dispositivos con seniiconductor.

2.5. Contactores

Un contactor es un aparato de apertura o cierre del circuito eléctrico donde está insta- 1: '

lado. dotado con mando a distancia, en el que los contactos están normalmente abiertos en r;,, N Bobina de

posición de reposo. 1 excitaci6n M . ,

Los contactores pueden ser accionados por diversos medios pero no manualmente, y '

según sea el sistema de accionamiento pueden ser: e/ectrornagnéticos, neumáticos y elec- .i :.' Circuito de Circuito Circuito mando principal auxiliar froneurnáticos. Como generalmente son electromagnéticos, en este capítulo se hará refe- 1 ' ' .

rencia a este tipo de contactor exclusivamente. ! ; ' , FIGURA 2.30. Componentes de un contactor. Abierto.


u FIGURA 2.3 1. Componentes de un contactor. Cerrado.

martillo

entrehierro

l FIGURA 2.32. Sistema de accionamiento

i Al circular corriente por la bobina aparecerá un campo magnético que será el ericarga- do de crear la herza necesaria para atraer el martillo. La expresióti de cliclia fuerza es:

muestra el mismo contactor coi1 su bobina excitada y sus coiitactos principales cerrados. 1 m . ' . ' F = 4 ~ ~ s . 1 O-' En estas figuras se ponen de manifiesto los tres circuitos eléctricos que intervienell en la . : operación del cotitactor: . . 6on la fuerza (F) en kg, B en Gauss y S en cm2. 4, . ' El hierro se quedará con cierto magnetismo remanente (B,.), y la ~resencia dc ~ i i i

Circuito de mando, que actita sobre la bobina de excitacióti. 1; entrehierro en el circuito magnético (ver figura 2.32) está justificada por la necesidad de Circuito principal, es el circuito eléctrico (normalmente trifásico) cuya conexi<ín y .. evitar que el magnetismo remanente impida la separación del martillo a causa de 10s mile- desconexión es realizada por el contactor por medio de sus contactos principales. . 1 lles antagonistas cuando se suprime la alimentación de la bobina: dicho entrehierro Circuitos auxiliares (de maniobra O de señalización), sobre los que actúa el contac- ' ,. aumenta la reIuctancia del circiiito magnético, disminuyendo el valor de ind~~ccióll

. .

tor mediante SUS contactos aiixiliares. Piiede haber montajes sin circuitos auxiliares. , remanente y, por lo tanto, la fuerza de atracción. Son, por lo tanto, circuitos distintos del principal y del de mando. , , Como dato orientativo, el tiempo de cierre de un contactar, accionado por coriierite

:: continua, es del orden de una décima de segundo. El cii-cuito de mando de titi contactor puede ser excitado o desexcitado por la acción j.

de diversos elementos que intervienen en la automatización de instalaciones itirlustriales:

p~ilsadores. finales de carrera, diversos tipos de relés (eléctricos o no), por 10s contactos . 1, 'O).. ElectroirnR~i alirizeiitado por coi7.ieiile nlter.~?a ziuxiliares de otro o del mismo coiitactor (enclavamiento), por la acción de las etapas de ' , l . , salida de autómatas, etc. i . % ' El núcleo magnético de estos contactores esth formado por chapas laminadas, con

L . . r , objeto de reducir las pérdidas por corrientes de Foucault. . . Por otro lado, al estar alimentado el electroimán por corriente altertia, la corriente

. A ) Sisteina de accionar?zieitro ). ; haghetizante y el flujo pasan por cero cada período y, por lo tanto, la fuerza de atracci0ii I .

F se anulará también dos veces (figura 2.33). tr) Elecfroimán alimentado por corriente cortlinua 1"

t . , . Como consecuencia de esto, y debido a la existencia de los muelles antagonistas Y a : sli propio peso, el martillo tiende a abrirse momentáneamente a cada inversión dcl fl~go; \ El núcleo magnético es de acero macizo y consta de una parte fija (yugo), que soporta ; , esto produce la vibración del electroimán, ruidos, interniitencias en la conexión Y acorta la

la bobina, y una Parte móvil (martillo), solidaria al conjunto móvil del contactar (figura 1. ;, vida.de éste por 10s esfuerzos a que estará sometido. Para evitar este efecto se coloca en 2.32). ; los dos extremos del yugo una espira auxiliar, llamada de sorílbia (figura 2.34).

1 . ; i 1 : ' . . > ,.

(,8 TECNOLOG~A ELÉCTRICA APARAMENTA ELÉCTRICA DE BAJA TENSIÓN 6v

FIGURA 2.33. Fuerza del electroimán de la figura 2.32.

sombra

FIGURA 2.34. Espira de sombra.

i FIGURA 2.35. Efecto de la espira de sombra.

i 1 B) Contacfo.~ principales 1 1, Son los elementos encargados de cerrar o abrir el circuito cléctrico donclc está instalado cl f contactor (circuito principal), y por coiisigiiiente son las piezas sometidas a un trabajo mas

duro. El conjunto de los contactos principales está formado por unos contactos fijos y unos 1 lnóviles que se desplazan solidariainente con la parte móvil del circuito magnético. Para ciim-

plir perfectamente su cometido deben reunir las siguientes propiedades mecánicas y eléctricas.

- Alta condiictividad eléctrica y térmica. - Pcqueíía resistencia de contacto. - Débil tendencia a pegar o soldar - Buena resistencia a la corroqión eléctrica producida por el arco. - Poca tendencia a formar óxidos o sulfiiros resistentes eléctricanicntc. - Fuena elevada y fuerte resistencia mecánica.

1 i Los materiales que cumplen mejor estas propiedades, y por tanto los quc se emplcaii

/ en los contactos, son las siguientes aleaciones: plata-cadmio. plata-paladio y plata-niqiiel (más utilizada).

Las fornias de los contactos son: esférico-esférico, plano-plano y plano-esféi ico.

&ta es una espira de cobre en cortocircuito en la <IUC se induce una f~lerrd electromo- 1 C) Con,ac,o,y allxl[jares

triz (,q debida al flujo (8); en la espira se produce una circiilación de corriente 1 (0 <leSfasada Lln gngulo a respecto de 6 debido a la tnductancia de la espira Y. Por consi- i ' unos contactos que actúan sobre circuitos auxiliares de poca potencia p¿ira realr- guienie, aparece un flujo adicional (af) desfasado 1111 ángulo de 90" + a respecto del

zar funciones de automatizacii>n. ~ s t o s contactos pueden ser de dos HUJO principal (figura 2.35).

cuando el flilio principal (8) se anula, existe un flujo adicional (@')suministrado Por - De cierre fal. también llamado norriralnrente abierto (NA), ~ ~ ( e cerrado cuando lus la espira de sombra, que permite mantener cerrada la armadura hasta que vuelve a actuar principales están cerrados y está abierto cuando 10s contactos priliclpales el f l u~o principal (figura 2.35). están abiertos.

I E

70 TECNOLOG~A ELÉCTRICA 1 APARAMENTA ELÉCTRICA DE BAJA TENSIÓN 7 1 : - De apertura (b), también llamado iiomiahiente cerrado (NC). Funciona con lógica 1 ' d) Por la capacidad de ruptura de corriente:

contraria, es decir, está abierto cuando los contactos principales están cerrados y ; - De potencia: Tienen poder de corte en sus contactos principales. está cerrado cuando los contactos principales están abiertos. Normalmente los contactores de potencia son capaces de cortar corrientes poi

encima de la nominal pero no son capaces de cortar corrientes dc cortocircuito, cn Las funciones de automatización que se pueden realizar mediante contactos auxiliares i sus contactos principales.

son diversas (enclavamiento, realimentación, señalización, etc.). Por ello, mediante los ' - Auxiliares: No tienen poder de corte o es muy bajo y se emplean en los procesos

diversos contactos auxiliares se alimentan circuitos con bombillas de señalización, bobi- 1 de automatización para aumentar el número de contactos auxiliares disponibles. nas de excitación de otros contactos, de relés, bornas de entradas de autómatas, etc. 1 e) Por la tensión de mando (continua, alterna y por sus valores).

La aparición de los autómatas programables lla influido notoriamente en la utilización ' y en la presentación comercial de los contactores. Antes de la aparición del autómata, las 't iristalaciones de aiitomatización se hacían utilizando muchos contactores auxiliares, tem- , 2.5.2. Características de los contactores ~orizaclores, contadores, contactores con un gran número (le contactos auxiliares, etc. 1 Incluso algunas funciones de la automatizacicin la hacían los propios contactores. que te- ' A continuación se citan las características que como mínimo se deben especificar paia iiinn presentaciones especiales: contactores con retraso a la conexión o a la desconexión, / seleccionar un confactor (EN 60947-4). t le retención. de remanencia, etc. 1

Hoy día todos estos contactores especiales han desaparecido prácticamente de los catálogos, de la misma forma que se emplean iniicho menos los coiitactos auxiliares, los 1 A) Tipo de corzíactor temporizadores y los contadores, además de que los contactores de potencia utilizan y se ,

fabrican con un menor número de contactos auxiliarcs. l Vendrá definido por: Todas las fiinciones que realizaban esos aparatos y elementos citados las tealiza

actualmente el autómata, quedando la función del contactor coino elemento que manda los l - Número de polos de los contactos principales: bipolar, tripolar, tetrapolar. circuitos de potencia, obedeciendo las órdenes oportlirias elaboradas por el autómata y , - Naturaleza de la corriente del circuito principal (ca o cc) y su frecuencia hansinitidas al circuito de mando del contactor.

2.5. 1 . Clases de contactores

i - Medio de corte (aire, vacío, SF,).

1 - Tensión de mando.

B) l/alores asignados Teniendo en cuenta diferentes aspectos, los contactores electromagnéticos se pueden 1'

clasificar de las siguientes formas: ¡ A continuación se indican los valores siguiendo las indicaciones de UNE 20- 109-89.

( 1 ) Por el tipo de corriente que circula por los contactos principales: 1 1 a) Tensione.~ asignadas. Se definen dos tipos: de aislamie~~to (U,) y de e1nl9leo (U,).

- De corriente continua. - De corriente alterna.

b) Por el medio en el que se realiza la ruptura de corriente: - Al aire. - Al vacío.

I La tensión asignada de aislamiento es la de diseño del contactar y a la que se iel'ic- t 1 ren los ensayos normalizados. A un contactor pueden asignarle diferentes tensiones 1 de empleo que serán iguales o inferiores a la tensión asignada de aislamiento. r k La tensión asignada de empleo junto con los otros valores asipiiados que se descri-

- En Iiexafluoruro de azufre (SF,). ben a continuación determinan la aplicación concreta de un contactar. Los más utilizados son los de corte al aire. En el caso de contactores de gran

' 1 potencia de baja tensión o para contactores de media tensión se emplea el corte en 1 b) Intei~sidades asignadas. Se definen las siguientes:

vacío o en SF,. C) Por la tensión del circuito principal: Intensidad térrnica convencional asignada (I,,,J. Es la maxiriia intensidad que iin

- De Baja tensión hasta 1 .O00 V. contactor puede soportar en servicio de 8 h, sin envolvente y en las condiciones de - De Media tensión a partir de 1.000 V, suelen llegar hasta los 12 kV. ensayo definidas por la norma. También se define una intensidad térmica asignada

Los más empleados son los de BT. , para el caso de trabajar el contactor bajo envolvente.

i

tr APARAMENTA ELÉCTRICA DE BAJA TENSIÓN 7:

lntensicicrtl de empleo usigrroda (IJ Es la intensidad definida por el constructor del aparato, que permite como máximo pasar por los contactos principales cerrados del contactor, en unas condiciories de trabajo dadas por la tensión de empleo asignada y los otros valores asignados.

En el caso de contactores para circuitos de alimentación de motores puede utilizarse el i:oncepto de 'potencia de empleo asignada' en vez de 'intensidad de empleo asignada'.

C) Servicios a.eignados. Se consideran como servicios asignados norn~ales los siguientes:

Servicio de 8 h. En él los contactos principales permanecen cerrados un tiempo no superior a 8 horas, la intensidad que circula es constaiite y se alcanza el equilibrio térmico. Servicio corrtinuo o ininlerrumpido. Como el anterior, pero el tiempo cs superior a 8 h (pucden ser semanas, meses o incluso años). Seriiicio inferniitente. Los contactos están abiertos y cerrados periódicamente, pero con el periodo demasiaclo corto para podcr alcanzar el equilibrio térmico. El servicio intermitente viene cieterminado por la iritensidad, el tiempo de paso de esta y por el .facror (le marcha. que es la relación entre el tiempo de paso de In corriente y el tiempo de ciclo. Por ejemplo, se puede definir un servicio intermitente de 50 A, diirante 6 minutos cada 10 miniitos: 50 A, 6 m/lO m; o bien, 50 A con 6 ciclos de maiiiobras por hora. 60%. Valores normales del factor de inarcha son 15, 25, 40 y 60Yn.

Segun el numero dc maniobras que puedan reali7ar por llora se teiidrhn diferen- tcs clases de servicio intermitente (cuadro 2.3).

4 Podeles de cierre y corte asignado. Sus definiciones son siinilares a las de otro. aparatos de maniobra, y rigurosamente vienen establecidos en la norma precitada. /\si

pues, los poderes de corte y cierre se definen como las intensidades que pueden coitar 4 establecer, sin fallos ni desgaste apreciable, en unas condiciones qiic dependen de /a ctrfi

goría de empleo y que vienen especificadas en la norma EN 60947-4 (tabla 7). Como comentario I~ay que indicar que los contactores no se diseñati para abrir y ceriñi

corrientes de cortocircuito, pero que durante su fiincionamiento deben soportar los esfiiei- zos térmicos y magnéticos ocasionados por las sobrecargas producidas fiindarnciitalnielitc por motores (arranque, frenados eléctricos, etc.). Puede ocurrir que la apertura o cierrc dc los contactos ocurra cuando hay una corriente superior a la normal, por lo que se (la a 1oi contactores un cierto valor de sus poderes de corte y cierre

CUADRO 2.3 Clases de servicio intermitente

1; , e) Categorías de en?pleo. Se definen como el coiijlrnto de corldicior~ta iiorrnalizad:~~:

) de ~tilización. correspondientes a una aplicación real. que deterrnirian las condiciones cii

/ que se efectúa el corte y, por tanto, sirven para definir el poderde corte. i La norma UNE EN 60947-4-1 define unas categorías de enipleo scgún la aplicacióii I que se va a dar al contactor. Estas categorías se definen por las letras AC o DC, segíiii sean

)ara contactores de corriente alterna o continua, seguidos de un número qlie cori-espoiidi- i cada aplicación concreta.

Para aplicaciories de corriente alterna se definen 12 categorías de empleo y dt: corriente continua se definen 4. En el ciiadro 2.4 se indican las más significativas.

CCASE

1 3

12 30

120 300

1.200

N.O DE MANIOBRAS POR HORA

<: 1 - < 3 < 12 S 30 < 120 S 300 S 1.200

. seri,icio temporal, LOS contactos principales están cerrados durante un tiempo en el 1 En la norma citada se indican, para cada categoría de einpleo y en fuiicióii de la tei,- que no se alcanza e\ equilibrio tnmico, y durante el periodo en que 10s contactos ! S"" de (q) Y de la corriente de empleo (I,), los poderes de corte y cierre. isl

están abiertos las partes del contactar alcanzan la temperatura ambiente. 1 corno otras características de los contactores. I t

CUADRO 2.4 Algunas categorías de empleo

..

,

CATEGOR~AS

AC- 1 AC-2 AC-3 AC-4

ACSa AC5b AC-6a AC-6b DC- 1 DC-3 DC-5 DC-6

APLICACIONES DE EMPLEO

Cargos no inductivos o débilmente inductivas, hornos de resistencia. Motores de anillos rozantes: arranque y desconexión. Motores de jaula de ordilla: arranque, desconexión a inotor lanzado. Motores de jaula de ardilla: arranque, inversión de marcha, marcho o impulsos. Mondo de lámparas de descarga. Mando de lámparas de incandescencia. Mando de transformodores. Mando de baterias de condensadores. Cargos no inductivas o débilmente inductivas, hornos de resistencia. Motores derivación. Motores serie. Mando de lámparas de incandescencia.

74 TECNOLOG~A ELÉCTRICA APARAMENTA ELÉCTRICA DE BAJA TENSIÓN 75

Por e,jemplo, de acuerdo con el catálogo de un fabricante, un contactor tnfásico para 400 V / : .2.5.3. ~ ~ ~ t & ~ t ~ ~ ~ ~ con semiconductores tiene las siguientes intensidades de empleo según las categorías de empleo (cuadro 2.5): i ' ' .

1. . En el mercado se encuentran, además de los contactores convencionales, otros cii

CUADRO 2.5 ' 1 los que la apertura y cierre del circuito principal se realizan por seiniconductores de Ejemplo de diferentes intensidades de empleo i : potencia.

1 En la parte 2 de la norma UNE 20-109, se contempla todo lo relacionado con este tipo

i de contactores. Esta norma tiene una estructura similar a la de la parte 1, referida a los j contactores convencionales. Las definiciones, características y valores asignados son siiiii-

lares en anibas normas.

AC3 75 A La aplicación fundamental de estos contactores es para el caso de gran niiniero dc 1 . < . AC4 54 A . maniobras por hora. Así, además de las clases de servicio iiiteriiiitente indicadas antcrioi-

i mente (clase 0.03 a clase 10) se definen otras clases de acuerdo con el cuadro 2.7. .,

.fl Eri:jllrnr~cia rnecánicn y el¿ctrica. La endiirancia iiiecánica sc refiere al desgaste riiecinico del contactor. Se da en función del número de maniobra que soporta iin contac- 1 CUADRO 2.7 tor en vacío (se acepta qiie el ensayo iiormalizatlo sea siiperado por mis del 90% de los / Clases de servicio intermitente en cotoctores con semiconductores

contactores ensayados). Se suele dar en millones de maniobras (desde 0.001 a 10). La endurancia eléctrica se refiere al desgaste eléctrico qiie sufre el contactar. Se da en ¡

función del número de ciclos de maniobras en carga, en las condiciones dadas por la tabla 3 tle la norma UNE 20- 109.

!

CLASE N.O DE CICLOS DE MANIOBRA POR HORA

Viene caracterizado por la tensión de alimentación de dicho circuito. Esta tensión de iitilización estará comprendida entre el 85 y el 110% de su valor norniiial para garantizar el funcionamiento del contactor. Este tipo de contactores presentan las siguientes ventajas: no se producen soldaduras

L~~ valores normales dc la tensión nominal del circuito de mando, que pucdcrl ser en los coiitactos, exigen menos mantenimiento, no prodiicen rebotes cn los contactos ni

direreiites de la del circuito principal, son los expresados en el cuadro 2.6. 1 tampoco ruidos.

1 Debido a sii precio, actualmente no se utilizan para sustituir a los contactorcs corivcn-

CUADRO 2.6 Tensiones de mondo

/ cionales, sino sólo en aplicaciones especiales: gran número de iiianiobras. iitilización cii

1 zonas donde no debe Iiaber ruidos, etc.

! l

i .. 2.5.4. Aplicaciones del contactar 1

Coiiio se ha comentado con anterioridad, las cualidades que preseiita el contactoi; csto

TENSIÓN -

cc (V) ca (V)

1 , es, frecuencia de maniobras y mando eléctrico a distancia, le permiten realizar procesos dc automatización y ésta es su principal aplicación, sobre todo en lo que se refiere a iiistala-

D) Cii*ccuitos c~~,~.xilinres ¡ ciones con motores eléctricos. Además, el contactor asociado-con el corFsp-enfienJcrelé tér11iico 'protege al inotoi.

Se tiene que especificar el número de circuitos auxiliares y sus características, así . . . Para la protección contra cortocircllitos, tanto del motor coillo del coiltac.. como el número de contactos auxiliares y la naturaleza de éstos: número de contactos de 1 ter, se emplean los correspondientes fusibles o interruptor autorn;itico, E] elemento (te cierre (a) y número de contactos de apertura (b). protección contra cortocircuitos se colocará en el lado de alimentación del contactar, sieri-

1 I

VALORES NORMALIZADOS

24, 48, 1 10, 125, 220, 250 24, 48, 1 10, 127, 220

!

clo el fabricantc del contactor el que indique cl tipo de elemento de protección que se / ,

1

deberá utilizar. i Como ejemplo niuy sencillo de aplicación de contactores se realizará el circuito de ,

potencia y de mando de un arraiicador estrella-triángiilo para un motor asincmno de rotor 1 in cortocircuito. La figura 2.36 muestra el circuito <le potencia y la figura 2.37 ofrece el escluenia unifilar del mismo circuito.

1

1

FIGURA 2.36. Circuito de potencia. Esquema tri~olar.

u FIGURA 2.37. Circuito de potencio. Esquema unipolar

La figiira 2.38 muestra el circuito de mando, siendo:

i I

- F, fusible de protección del circuito principal. 1 - F, fusible de protección del circiiito auxiliar. - RT relé térmico (protección contra sobrecargas). - C, contactor de alimentación. - C, coritactor para realizar la conexión en estrella (Y) . - C, coritactor para realizar la conexión en triángiilo (A). - d , relé de tiempo. - b,, b, pulsadores de marcha y paro respectivaniente.

1 El proceso que será el siguiente: inicialmente, al prcsionar el piilsarlor (b,) eritraráii ' los contactores C, y C, , y el motor fiincionará en estrella. Pasatlo 1111 tiempo, el iicccsario

/ pura el arranque, mediante un relé teinporizado (d,) abrirá C, y cerrará C,, pasando asi el

i niotor a funcionar en triángulo Iiasta qiie se produzca la parada iiiediante el piilsador (b,).

j 4 2.6. Interruptores y relés diferenrioles ! ,

r.. . ; En este apartado:se.van a estudiar aquellos dispositivos que dctectan las corrientes de i

S fugas, o corriente diferencial, desde conductores activos de la instalación (fases y neutro)

f ' . a masa a travks de los aislamientos deteriorados. Estos equipos son capaces de detecta, I, corrientes muy bajas, del orden de hasta 10 mA. Son muy eficaces en las instalaciones

1 elkctricas de Baja Tensión en la protección de las personas, en la denominada proteccihn

. i contra contactos indirectos.

78 TECNOLOGÍA ELÉCTRICA APARAMENTA ELÉCTRICA DE BAJA TENSIÓN /9

1 ei 2

C A2 3

FIGURA 2.38. Circuito de mando.

Cuando en el mismo dispositivo constructivo se incluye el elemento detector (relé) de la corriente diferencial y el elemento de apertura del circuito de potencia, al dispositivo se. le denomina interruptor diferencial. Si las corrientes nominales son altas, el elemento detector o relé diferencial actúa sobre el disparador indirecto de un interruptor automático que provoca la apertura del circuito.

2.6.]. Fundamentos de la protección diferencial

En toda instalación eléctrica en estado de funcionamiento normal, la suma vectorial de las corrientes de los conductores activos de una línea es nula en cada instante. Lo anteriormente dicho es válido para instalaciones eléctricas monofásicas o trifásicas, equilibradas o desequilibradas. Solamente esa suma es distinta de cero en el caso de que exista un defecto de aislamiento y se establezca una derivación de corriente desde un conductor activo a la envolvente del aparato (masa) y a través de ésta a tierra, en el caso de que la masa esté conectada a tierra (figura 2.39). Conductores activos son los de fase (F) y el neutro (TV), no lo es el conductor de protección (PE), también llamado de tierra (7).

Si la distribución es monofásica, = 7F + IN

Si la distribución es trifásica sin neutro, ]£/„ = 7, + 72 + 73

=Si la distribución es trifásica con neutro, X ¡a ¡\ + '2 + ̂ 3 + IN

Receptor

L,_

L2

FIGURA 2.39. Corriente de defecto a tierra.

Mediante la protección diferencial se realiza un balance de las corrientes que circulan por los conductores activos del circuito.

, En caso de funcionamiento normal, la suma de todas las corrientes es nula, ]T 7a = O.

Cuando se produce un defecto de aislamiento, la suma deja de ser nula. £/a =Id ?¿ 0. Así

iipues, de la observación del valor de £ /„ se obtiene la información necesaria para actuar o

; lio sobre el elemento encargado de abrir o cerrar el circuito (figura 2.40). Precisamente, Id es • e j valor de la corriente que circula por el conductor de protección (PE) al que se conectan las masas metálicas de los equipos eléctricos de la forma que se verá en capítulos posteriores.

2.0.2. Sistemo de detección

: El elemento sensible a la corriente diferencial está constituido por un núcleo toroidal ij cíe material ferromagnético atravesado por todos los conductores activos que alimentan el circuito (excluido el conductor de protección).

Las corrientes que recorren estos conductores producirán un flujo magnético resultan,!té;que será nulo cuando no exista ningún defecto (id = 0) y tendrá un valor determinado ; (OR) cuando se produzca una corriente de defecto a tierra (id ¿ 0) (figura 2.41). i Este flujo resultante 3>R origina en la bobina auxiliar (1) una fuerza electromotriz que se utiliza para alimentar la bobina de disparo del elemento de corte del circuito.

80 TECNOLOGÍA ELÉCTRICA APARAMENTA ELÉCTRICA DE BAJA TENSIÓN 81

En la figura 2.42 puede verse el aspecto externo de un interruptor diferencial y en 1; figura 2.43 un esquema con los elementos que lo componen. Aunque está realizado par; una línea bipolar (F-N), el esquema es análogo para cualquier otro tipo de distribución.

FIGURA 2.40. Corriente de defecto y conductor de protección.

Como se puede apreciar, este elemento no es más que un transformador de corriente que se encarga de vigilar si la suma de corrientes que pasan a través del núcleo toroidal es nula, o bien si, como consecuencia de un defecto a masa detrás de dicho elemento, parte de la corriente ha hallado un camino diferente.

FIGURA 2.41. Detección de la corriente de defecto.

2.0.3. Interruptor diferencial

Se trata de un bloque compacto en el que se encuentran una serie de elementos cuya misión es abrir el circuito cuando la corriente diferencial supera un determinado valor.

FIGURA 2.42. Interruptor diferencial bipolar y tetrapolar.

(1) Transformador de intensidad diferencial, • que es el elemento sensible a la corriente

: diferencial.(2) Disparador que actúa sobre el mecanis

mo de retención dé los contactos móviles cuando se detecta alguna corriente de fuga.

(3) Mecanismo de retención de los contactos móviles.

(4) Juego de contactos móviles. (5) Circuito de prueba del interruptor diferen

cial. Si estando el interruptor conectado í se pulsa el botón (T) aparece una

corriente diferencial entre los conductores activos y el interruptor dispara.

FIGURA 2.43. Partes de un interruptor diferencial.

A) Características

Las principales características nominales del interruptor diferencial, referidas corrientes senoidales, son las siguientes:

82 TECNOLOG~A ELÉCTRICA I l. . APARAMENTA ELÉCTRICA DE BAJA TENSIÓN 8:

- Corr,iente tlifkrencial i~oiiiinal (sensibilidad) (I,,,,). Valor de la corriente diferencial - Poder (fe corte. Las corrientes de defecto (J<,) no tienen por qué ser sieinprc bajas r!': para la cual el interruptor diferencial abre el circuito. Se distiiiguen dos tipos: I;.- En algún caso pueden tener valores del orden de corrientes de cortocircuito débiles. Po

ello se dota a los interruptores diferenciales de un poder de corte reducido (dc 1,5 a 5 ItA ) ( 1 ) Alta sensibilidad. Son aquellos que tienen una sensibilidacl menor o igual a 30 mA 1

( 1 0 0 3 0 n ~ 4 ) . i f En principio, no tienen que estar preparados para cortar altas corrientes dc cortocircui

13) Ba-ja sensibilidad. Con sensibilidades superiores a los 30 nlA, normalmente son de 1 to, ni ésa es su función. Coino consecuencia, el interruptor diferencial debe protegcrse coi 300 o 500 mA. Para iisos industriales y especiales existen interruptores diferencia- interruptores aiitomáticos o fusibles antepuestos, que protegen también al resto de la insta les con una sensibilidad de 1 A o más. lación contra cortocircuitos y sobrecargas.

- Corrieiite noniinal de riofilncionan~ier~to (I*,J. ES la corriente por debajo dc la cual 1 Para obtener información adicional sobre otros datos y características ctc estos nparii

sc garantiza que el interruptor no abre el circutto. El valor de esta corriente suclc ser la 'tos, se pueden consultar las normas UNE 20-383-75 (bastante antigua) y VDE 0641.

mitad de la sensibilidad: i I.' 1

1 , B) Oti-m características y ejecirciories IA,,/ - l,\t" 2

En el mercado pueden encontrarse interruptores diferenciales con características \

- Intensirlad non~inal (1,). Los valores normales de la intensidad nominal dc los inte- ,, prestaciones especiales para aplicaciones específicas. Entre ellos se cilarin:

iruptores diferenciales estin comprendidos entre los 16 y 250 A. Estos valores pueden variar dc unos fabricantes a otros. Los más usados llegan hasta 63A.

-- Tensión riorninnl de i1tilizaci6n (U,,). - Niinrer-o de polos. Atendiendo al número de polos (contactos) los interruptores dife-

renciales pueden ser bipolares. tripolares y tetrapolarcs. que se puedeii iitilizar también como tripolares o bipolares.

- CtrracterUtica cle c/i.splrro (I,, - t).

- Iriterriiptor-es diferenciales cori retardo en el dispuro. Se utilizariri cuando se coloci mhs de uii diferencial en serie en una instalación (figura 2.45). En este caso, el inteirupt<~i de cabecera (ID. 1) debe tener el disparo retardado para conseguir una ~lesconexiói~ sclecti. va en caso de defecto en la zona protegida por (ID.2).

- hiterriil)tore.~ d@r-ericiales parcr corrientes cle c/cf¿)c.to conlirirrtr.~ p~ilsarrtes. Sc titilt. &en circuitos recorridos por corrientes continuas obtenidas por rectificaciciri clectr6riici de.corrientes alternas. Estos aparatos no sirven para corriente continua pura.

2.6.4. Transformador y relé diferencial

En la figura 2.44 se observan las curvas dc disparo para iiiterrtiptores de sensibilidatl 20 y 300 ,,,A; las ct,rvas ;, otras sensii,ilidades snklogas. se ,

obscrva que lo que se da en realidad es una banda comprendida entre I,, e I,,. El tieinpo

FIGURA 2.44. Curvas características normalizadas

;," Interr-irptores cl~~renciriles coiiibir~ndos cori autor~iiticos. En cl niisiiio n10clulo S(

p.,'. , inclkyeel interriiptor diferencial y u11 interruptor auton~itico niagnctotérinico.

i, ; , , ,

[ , , 6''

. , . Se aplica en la protección diferencial de instalaciones con potencias elevadas. El priii-

cipb ,de funcionaniiento es el niismo que el del interruptor diferencial, con la dilereiici¿, dc que los diferentes elementos constituyen bloques separados. Bii la figura 2.46 piiede verse un esquema coi1 los diferentes elenientos que componen esta Iorina de protección 1 en la figura 2.47 el aspecto exterior de un relé diferencial y de tios trarisforniadorcs tlifc-

Las características nominales principales de estos elementos son siniilares a las de lo' 1 iiitirruptores diferenciales, caracterizhndose b i s icanene por e dilnietro del tansforiiii- . dor diferencial. , .

k:.' Estos equipos se pueden complementar con módulos ainplificaclores para iiie~orar la

I:. sensibilidad Iiasta valores 30 mA o menos y módulos retardadores qiie retardan la accióii dcl diferencial hasta un tiempo fijado (por ejemplo 30 ms) si la corriente de defecto per-

8 , F. siste. 1

de tlisparo es muy ba-jo, alrededor de 30 ms o menos. I '

FIGURA 2.45. Interruptores diferenciales en cascada.

I I I

@ (1) Transformador diferencial. (2) Rele diferencial. (3) Disparador indirecto del interruptor automático.

de emisidn de corriente o de rnlnima tensión. (4) Interruptor autombtico.

FIGURA 2.46. Protección mediante relé diferencial.

APARAMENTA ELÉCTRICA DE BAJA TENSI~N 8.5 ' .

FIGURA 2.47. Relé diferencial y dos transformadores diferenciales

2.6.5. Aplicaciones de la protección diferencial

: La.aplicación fiindaniental de la protccción diferencial es la protección contra coiitactos 'indirectos, contemplada en el Reglamento Electrotécnico de Baja Tensióii (MIE 13T 021). Adicionalmente sirve para limitar el riesgo en los contactos directos.

E n el capítulo dedicado a la protección contra contactos directos e indircccos se estudian con detalle estos aspectos, así como los criterios de seleccióii de los equipos.

, Una aplicación adicional de la protección diferencial es la pinteccióii contra iiiceiidios provocados por corrientes de defecto. Para esta aplicación los aparatos niás atlecuados son .los de alta sensibilidad (30 niA), ya que al cortar e11 un tienipo muy brcve corrieiiles niuv bajas se limita la energía disipada y por tanto el riesgo de iiicendios.

En el caso de realizarse la protección con un interruptor diferencial de alta sensibilidad en una instalación de 400 V, al producirse un defecto a tierra, la inaxinia potencia disipada seria de 230 x 0,03 = 6,9 W, con lo que el riesgo de incendio queda prActicanierite descartado.

. . La protección contra incendios provocados por cortocircuitos debe ser realizada por 'los.aparatos de protección contra sobreintensidades (interruptores automáticos y fusihlcs).

10 20 m I I

@ Profundidad O m.

@ 2m.

% ' 11, ' .,

. . !..', v

3.5. Distribución típica de potenciales producida por electrodos en forma de pica vertical.

FIGURA 3.3. Distribución de potenciaIes en una sección del terreno, originada por un electrodo semiesférico. E"identemente, la distribución de los potenciales de tierra depende de la forma y

djlnensiones del así coino de las características del terreno. El análisis rigllroso de una instalación de puesta a tierra requiere conocer esta distribii-

La figLw 3'4 representa la variación del Potencial sobre la siiperficie del terreno gráficas como las de las figuras 3.3, 3.4 o 3.5: sin embsrgo. función de la distancia obtenida para el mismo electrodo muy simples, o utilizando métodos de C ~ ~ C U ~ O niiiy ~ ~ m p l e - férico.

objetivos de este texto) es posible disponer de ellii (véiise

tierra se efectiia iinicamcnte en el pro- o

U pq En la inayor parte de los casos, es sufi- -10 ,, cieiite con.un estudio aproximado, basado en el ciílciilo de un con.iiinto de parííii~etios que -20 se definen en el apartado siguiente. -30

-40

-50 . í 3.2; Parárnetros que caracterizan una instalación de puesta a tierra -60

-70 Los parámetros que se introducen a continuación pueden ser calculados a partir. de

-80 presiones (a veces que tienen en cuenta las características de la instalaci0n. o

-90 bien 8eterminados mediante ensayo en una instalación ya construida. A partir de estos

-100 parámeiros se pueden dimensionar los elementos de la instalación de puesta a tierra. o decidir si su funcionamiento es correcto.

x (m) ste apartado es establecer conceptualmente el sigiiificado de estos 3.4. del potencial sobre la superficie del terreno con electrodo semiesférico, para apartados posteriores de este mismo capitulo los inétodos de

en función de la distancia al centro del electrodo,

w-l , i

@;;:,

i 90 TECNOLOG~A ELÉCTRICA

eqiii~otencia'es senilesferas, por 10 que las corrientes de difusión tienen direccihn radial (perpendicular a las superficies e<liiipotenciales) Sobre las líneas equiporenciales se

el valor del potencial correspondiente (entre paréntesis), en "/o de la tensión del electrodo U,.

INSTALACIONES DE PUESTA A ~ I E R R A O 1

figura 3.5 representa la distribución típica de potenciales sobre la sll~erficie 1 terreno obtenida con electrodos en forma de pica vertical enterrada dos '' "li;

suelo y a una cierta profundidad.

tecnologia electrica 1_2

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