Problemática actual de las instalaciones eléctricas La evolución tecnológica y social ha provocado un aumento en la complejidad de las instalaciones eléctricas. Los receptores poseen más circuitos electrónicos y la inversión en equipos es cada vez mayor. Estas instalaciones necesitan de una protección global que garantice que la instalación no sufrirá ante fenómenos intrínsecos a la red, como puede ser una maniobra, una conexión de ciertos receptores (PC, Fax...), una fuga a tierra o un corte de neutro; ni extrínsecos, la caída de un rayo y su influencia directa o indirecta. En el momento actual, ya no sólo es importante la prevención, sino que es necesario, del mismo modo, que los receptores tengan un tiempo efectivo de funcionamiento acorde con lo deseado, es lo que se denomina continuidad de servicio. Ante toda esta problemática, es evidente la necesidad de dar solución a todos estos problemas que puedan aparecer en una línea eléctrica y es necesario ofrecer la coordinación de diferentes dispositivos que permitan obtener una buena protección y la máxima continuidad de servicio, garantizando en todos los casos la seguridad de los equipos y de las personas. Protección y continuidad Una buena protección de una instalación debe cumplir una directriz básica: la prevención. Para ello al realizar el diseño se deben tener en cuenta todos los aspectos que puedan influir en la red eléctrica y a partir de éstos, decidir las protecciones que será necesario utilizar, sin olvidar el coste de los elementos que se desea proteger y el coste que supondrá esta protección. Uno de los fenómenos más frecuentes en la actualidad son las sobretensiones, tanto de tipo transitorio como permanente. Una sobretensión transitoria se puede producir por efecto de la caída de un rayo, tanto de manera directa como indirecta o una maniobra de la red, para protegerse contra estas sobretensiones son necesarios los nuevos limitadores de sobretensiones desenchufables PRD. PRD
Pero no es suficiente con esta protección, pues una sobretensión puede provocar además un disparo del diferencial que dejaría la red sin servicio, para evitarlo, es necesaria la utilización de los nuevos interruptores diferenciales superinmunizados que evitan estos disparos ante puntas de corriente transitorias. Es, por tanto, la coordinación de estos dos elementos la que nos protege y nos da una continuidad de servicio deseada. Una red con muchos elementos electrónicos que producen fugas a tierra permanentes, de alta frecuencia o de corriente rectificada, pueden hacer disparar un diferencial o que no dispare cuando se produce un defecto a tierra. Los nuevos interruptores diferenciales "SI" evitan estos problemas y consiguen una continuidad efectiva sin perder la protección necesaria en toda instalación. Otro problema presente en una red son las sobretensiones permanentes, por ejemplo, un corte de neutro, para proteger una instalación ante este fenómeno se utiliza un auxiliar del interruptor automático denominado MSU, que protege ante esta problemática.
MSU
Como se observa es necesario proteger la instalación, pero en lugares poco vigilados o de difícil acceso, otro aspecto de vital importancia es la necesidad de una continuidad de servicio, que se garantiza con los interruptores diferenciales "SI" y su combinación con equipos de reconexión automática en diferentes modalidades, según las necesidades de la instalación: desde el equipo más pequeño y compacto, el reconectador ATm, pasando por la solución automatizada y coordinada de uno, dos o tres circuitos que ofrece un Zelio Logic, hasta la más completa y optimizada que permite coordinar hasta nueve circuitos utilizando el Nano Autómata. Atm
Tecnologías de los dispositivos de protección Limitadores de sobretensiones transitorias PRD Estudios realizados por el Instituto Nacional de Meteorología (INM) revelan que en el intervalo de tiempo comprendido entre el 28 de enero de 1992 y el 31 de enero de 1995 se produjeron en España 1.615.217 rayos, de los cuales un 93% eran negativos (nube cargada negativamente y tierra positivamente). Si a estos datos se suman la cantidad de sobretensiones por maniobra, que se producen dentro de una instalación, se obtienen datos que muestran la problemática actual de las sobretensiones. Los limitadores de sobretensiones transitorias desenchufables PRD adoptan las últimas tecnologías en la protección de instalaciones, ante fenómenos atmosféricos de caída de rayos o conmutaciones bruscas de la red.
PRD
Estos limitadores se deben colocar siempre en paralelo a los receptores a proteger. ¿Qué es una sobretensión transitoria? Una sobretensión transitoria es un aumento de la tensión que se produce en un tiempo muy pequeño. Esta sobretensión se puede producir por varios efectos: Sobretensiones transitorias por fenómenos atmosféricos Debida a la caída de un rayo. Puede ser de distintos tipos: • Sobretensiones inducidas: debidas a la caída de un rayo en las cercanías de la instalación. • Sobretensiones conducidas: debidas a la caída de un rayo sobre una línea aérea (eléctrica o telefónica). Sobretensiones de maniobra • Por modificación brusca del régimen establecido en una red eléctrica. • Sobretensiones de circuitos inductivos: debidas al arranque y paro de motores, o a la desconexión de motores. • Sobretensiones de circuitos capacitivos: debidas a la conexión de baterías de condensadores. Todos los aparatos que contienen una bobina, un condensador o un transformador a la entrada de la alimentación: relés, contactores, impresoras… Acoplamiento campo a cable.
¿Qué efectos produce una sobretensión sobre la instalación? Los efectos producidos por una sobretensión transitoria son difíciles de prever, pero altamente peligrosos. Entre los más importantes encontramos: Acoplamiento campo a cable: el campo magnético se acopla sobre todo cable que encuentre, y generará sobretensiones en modo común y/o diferencial. Acoplamiento cable a cable: puede producirse una diafonía inductiva o capacitiva. Subida del potencial de la toma de tierra: un rayo que cae en el suelo genera una corriente, que se propaga por él mismo siguiendo una ley que depende de la naturaleza del suelo y de la toma de tierra. Parámetros importantes de un limitador (IEC 61643-1) • Nivel de protección (Up): Tensión, en kV, a la que están sometidos los receptores al paso de la intensidad nominal (In) del limitador. • Intensidad máxima (Imáx): Intensidad máxima que el limitador de sobretensiones es capaz de aguantar. ¿Cómo funciona un limitador de sobretensiones? Un limitador de sobretensiones funciona como una resistencia variable conectada por un extremo con la tierra del edificio. Su valor es infinito a tensión nominal y pasa a un valor prácticamente cero cuando se produce una sobretensión en la red. Tecnologías de limitación
Varistor: una de las características principales de este elemento es la tensión residual baja que soportan los receptores. Sin embargo, a pesar de tener una corriente de fuga baja, ésta aumenta al aplicarse un impulso de tensión y se produce un calentamiento de los componentes, a la larga. Descargador de gas: entre sus características se encuentra la fuerte capacidad de disipación de energía y una corriente de fuga despreciable. Uno de los problemas que tiene este tipo de tecnología es el tiempo de respuesta, pues es demasiado lento. Para obtener una buena protección ante sobretensiones es necesario unificar estas dos tecnologías y conseguir así una conjunción entre las ventajas de las dos. Los limitadores de sobretensiones PRD de Merlin Gerin consiguen perfectamente este objetivo, utilizando el esquema interno que se observa en la figura. Ejemplos de sobretensiones.
Funcionamiento de un vastidor.
Evolución de la tensión en función de la intensidad que circula. Comportamiento de varistor.
Esquema interno PRD.
Sistema de desconexión El limitador de sobretensiones PRD puede destruirse por dos fenómenos: el envejecimiento o corriente de rayo superior a la admitida por el dispositivo. Envejecimiento: se observa ante elevado número de descargas de rayo. El limitador posee una desconexión térmica ante este fenómeno y una señalización visual en el frontal, y en el caso de los PRDr una señalización a distancia. Corriente de rayo superior a la admitida: provoca que el limitador de sobretensiones se cortocircuite, por lo que es necesaria la existencia de un dispositivo de desconexión: interruptor magnetotérmico de calibre determinado. Limitadores de sobretensiones transitorias para líneas de voz y datos Una sobretensión transitoria también puede aparecer en redes de líneas y datos y son, si cabe, más peligrosas, pues los receptores no están preparados para asumir estas puntas de tensión. • PRC paralelo: para redes analógicas de 300 Hz o bucles de corriente de 200 V. • PRC serie: la misma utilización que el PRC paralelo pero con un nivel de protección mejor. • PRI 12..48: para redes de datos RS 232 (12 V) y RS 485 (12 V). • PRI 6: para bucles de corrientes de 6 V, y redes de datos RS422 (6V) y RS 423 (6 V). Limitador de sobretensiones permanentes MSU Una sobretensión permanente se produce cuando el valor eficaz de la tensión es superior al 110% del valor nominal, manteniéndose durante varios periodos o permanentemente. Este fenómeno se produce por defectos en centros transformadores, defectos de conexión o corte del conductor neutro en las redes de distribución de baja tensión.
La aparición de estas sobretensiones producen un deterioro de los receptores, por calentamiento o destrucción del aislamiento eléctrico, que desencadenan una reducción de la vida útil o destrucción del receptor, con la consecuente disminución de la seguridad de los usuarios. ¿Cómo afecta un corte de neutro a una instalación? En funcionamiento con neutro, las cargas dependen de cada instalación, mientras que la tensión viene impuesta por el transformador. Al producirse un corte de neutro, pérdida de continuidad de este conductor, en el punto (1) las cargas Z2 y Z3 están sometidas a unas tensiones U2’ y U3’, que dependen de las impedancias aguas abajo del corte mientras U1’ sigue viendo la Utransformador. Ejemplo de corte de neutro en una red trifásica.
La tensión fase-neutro se reparte según el valor de las impedancias y puede llegar a ser de un valor muy elevado mientras persista el corte de neutro. Otra de las consecuencias que produce el corte de neutro es el efecto sobre los armónicos de la red. Estas poseen gran cantidad de armónicos debido a la existencia de aparatos electrónicos, alumbrado con lámpara de descarga… De todos estos armónicos, es el tercero el que tiene una mayor importancia y su circulación de retorno se produce por el neutro. ¿Cómo proteger una instalación ante las sobretensiones permanentes? La protección se obtiene utilizando el módulo MSU cuyas características principales son: • Detección de sobretensiones permanentes producidas por un corte de neutro haciendo disparar, por accionamiento mecánico, el interruptor magnetotérmico o diferencial multi 9 al cual está asociado. • Disparo si la tensión entre fase y neutro es superior a valores entre 285 V y 310 V. • No rearme hasta que la tensión desciende a valores normales. Tiempos de disparos del limitador MSU Teniendo en cuenta que el tiempo de disparo depende de la sobretensión se obtienen dos curvas que acotan estos valores. Curva de disparo del módulo de detección de sobretensiones permanentes MSU.
Valores de disparo automático en caso de sobretensiones
Protección diferencial superinmunizada La protección diferencial es obligatoria en todas las instalaciones eléctricas y debe garantizar la protección de las personas contra contactos directos e indirectos, evitando posibles casos de electrocución. Dicha protección diferencial debe garantizar, también, la protección de las instalaciones contra posibles riesgos de incendio o degradación de los receptores que la componen. Situación actual y problemática con los dispositivos diferenciales La evolución constante de todas las instalaciones y, concretamente, el hecho de que los receptores que encontramos en estas instalaciones integren cada vez más componentes electrónicos ha aumentado en gran medida el número de instalaciones mal dimensionadas en cuanto a la protección diferencial. Este mal dimensionamiento se traduce, en la práctica, en instalaciones con un número insuficiente de dispositivos diferenciales o una mala distribución de esa protección diferencial, junto
con un desconocimiento significativo de una de las características más importantes de estos dispositivos: la Clase. La consecuencia inmediata, que se ha detectado en muchas instalaciones de estas características ha sido un aumento de los problemas con los diferenciales que, normalmente, se manifiesta en: • Disparos intempestivos: El diferencial dispara ante una corriente de fuga transitoria no peligrosa ni para las personas ni para la propia instalación. Este problema comporta una pérdida innecesaria en la continuidad de servicio. • Bloqueo o "cegado" del diferencial: El diferencial, debido a perturbaciones que pueden existir en nuestra instalación, queda bloqueado y, ante un defecto de fuga a tierra peligroso que pueda producirse posteriormente, no podrá disparar. Esto comporta un serio problema de pérdida de la protección de las personas y bienes, e incrementa los riesgos de electrocución e incendio. Contacto directo con la corriente.
Contacto indirecto con la corriente (en régimen TT). Tensión de contacto excesivamente elevada 115 >> 50 V. Necesidad de un dispositivo de desconexión
¿Qué motiva estos problemas? Estos receptores con constituyentes electrónicos incorporan unos filtros capacitivos conectados a tierra. A través de estos filtros se inyectan elevadas corrientes de fuga de manera permanente necesarias, por otra parte, para el correcto funcionamiento de éstos receptores. Estas fugas se acumulan en los dispositivos diferenciales y son más importantes cuantos más receptores estén colgados de un mismo dispositivo. Esta acumulación de fugas en un mismo dispositivo provocará, en la mayoría de los casos, unos riesgos de disparos intempestivos ante pequeñas sobretensiones transitorias o picos de corriente de corta duración, fruto normalmente de condiciones atmosféricas extremas (tormentas), puntas de arranque, maniobras en la red, disparos en otros circuitos, etc. En instalaciones muy extensas, con elevadas longitudes de cable, las capacidades de aislamiento de los conductores eléctricos aumentan. Estas capacidades, sumadas a las propios filtros capacitivos de los receptores con electrónica, aumentan considerablemente la facilidad para desplazarse a través de la instalación de posibles sobretensiones transitorias, provocando un riesgo importante de que se produzca el fenómeno que se conoce con el nombre de "disparos por simpatía", que no son más que una suma de disparos intempestivos en cascada que pueden producirse en varios puntos de nuestra instalación al mismo tiempo. Por otra parte, algunos receptores, como balastos electrónicos, dimers, variadores de velocidad, arrancadores y otros tipos de receptores, pueden perturbar las líneas eléctricas introduciendo en ellas o derivando hacia tierra corrientes de alta frecuencia (por encima de varios kHz). Este tipo de corrientes por sí mismas no presentan ningún peligro de electrocución para las personas, el problema es que pueden producir el bloqueo o cegado del diferencial. ¿Cómo soluciona la tecnología superinmunizada esta problemática? Con la aparición de la nueva clase A superinmunizada de Merlin Gerin se abren nuevos caminos en la tecnología de la protección diferencial. A continuación, se puede ver cómo ha evolucionado la tecnología de los diferentes componentes de los dispositivos diferenciales para culminar en una gama de diferenciales de altas prestaciones: la nueva gama superinmunizada.
El transformador toroidal La detección del defecto diferencial se efectúa mediante un transformador de corriente toroidal de un material ferromagnético cuyo primario son la(s) fase(s) y el neutro del circuito a proteger. Si no hay defecto de fuga a tierra, la suma vectorial de las corrientes de dicho circuito es nula. Si hay defecto, no es nula y se genera una corriente residual en el secundario. En caso de que exista un defecto, y por lo tanto una corriente residual, se creará un campo magnético que generará una fuerza electromotriz que permitirá abrir el relé de disparo del diferencial, si la corriente de defecto es mayor a la sensibilidad del diferencial. La evolución de los materiales necesarios para fabricar diferenciales clase AC, clase A estándar o clase A superinmunizada, es, en definitiva, la evolución hacia materiales más energéticos, fundamentales para poder mantener un óptimo nivel de protección de las instalaciones eléctricas que están experimentando un gran aumento en su complejidad. Filtrado electrónico Los sistemas de filtrado electrónico para el tratamiento de la señal eléctrica que proporciona el secundario del transformador toroidal es la parte que más ha evolucionado en la nueva gama de dispositivos diferenciales superinmunizados Merlin Gerin. Se ha incorporado un bloque de superinmunización, que aporta claras mejoras respecto a los clase A estándar en los aspectos siguientes: ¿Como se solucionan los problemas de disparos intempestivos y "disparos por simpatía? Circuito de acumulación de energía Todos los diferenciales Merlin Gerin clase AC y clase A estándar poseen una protección contra las sobretensiones, tal como se exige en las normas de protección diferencial correspondientes, la UNEEN 61008 y UNE-EN 61009. Estas normas exigen que los aparatos superen sin disparo, entre otros, los ensayos siguientes: • sobreintensidad oscilatoria amortiguada normalizada tipo 0,5 m/100 kHz, que corresponde al tipo de corriente que se fuga por las capacidades de la instalación en caso de sobretensiones por maniobras de conexión de circuitos capacitivos. • el ensayo de corriente de choque normalizada tipo 8/20 ms, que es consecuencia de sobretensiones provocadas por el rayo del tipo 1,2/50 s. Concretamente los aparatos clases AC y A estándar instantáneos superan el ensayo ante picos de corriente de 250 A tipo 8/20 ms y los selectivos de 3000 A. Onda de sobreintensidad de conexión normalizada tipo 0,5 μs/100 kHz.
Gracias al circuito de acumulación de energía, los nuevos diferenciales instantáneos de la gama superinmunizada ven aumentada la protección de 250 A hasta 3000 A en onda tipo 8/20 ms, y hasta 5000 A los selectivos, lo cual les permite superar sin disparo la gran mayoría de sobretensiones transitorias. Ello permite solucionar los problemas de disparos intempestivos y "disparos por simpatía", vistos anteriormente. ¿Cómo se solucionan los problemas de bloqueo del diferencial debido a las fugas de alta frecuencia? Filtro de altas frecuencias Estas están generadas y enviadas a tierra por los filtros de algunos receptores como, por ejemplo, reactancias electrónicas para iluminación fluorescente, variadores de velocidad para motores, variadores electrónicos de intensidad luminosa, etc., según la cantidad de estos receptores bajo un diferencial se pueden producir 2 tipos de problemas en los diferenciales estándar: disparos intempestivos o bien riesgo de no disparo. El filtro de altas frecuencias que incorpora la nueva gama superinmunizada evita estos problemas. Relé de disparo En los diferenciales convencionales, el relé de disparo recibe señal eléctrica desde el toroidal, de forma continua, con los posibles problemas de disparos intempestivos o de riesgo de bloqueo que ello comporta. En la gama "si" sólo llegará señal al relé, en el caso de que la totalidad de filtros descritos antes "autoricen" el disparo. La gestión final del disparo la efectúa el circuito de verificación y disparo. Reconexión automática La reconexión automática es uno de los fenómenos de mayor evolución en la actualidad, debido a la dificultad, en algunos casos, de difícil accesibilidad en lugares no vigilados donde la continuidad de servicio es crítica.
Onda de corriente de choque normalizada tipo 8/20 Îźs.
Funcionamiento del relĂŠ de disparo.
¿Qué es y cómo se realiza una reconexión automática? El principio de reconexión se basa en la posibilidad de rearmar un interruptor magnetotérmico o diferencial en caso de disparo, teniendo en cuenta en todo momento que debe ser un fenómeno totalmente controlado, debido a la posible peligrosidad de la acción. La tecnología de Schneider es capaz de cubrir todas las necesidades presentadas, gracias a una gama muy completa capaz de adecuarse a todo tipo de instalaciones. Reconexión con Autómata
Las filosofías seguidas han sido estudiadas en profundidad, gracias a los amplios conocimientos sobre protección de instalaciones, llegando a la adaptación de dos tipos de reconexión diferentes: Reconexión bloque Vigi "si": consiste en la distinción entre defecto permanente o transitorio y una actuación concreta en cada caso. Un disparo es permanente cuando entre el rearme y el nuevo disparo pasan menos de 3 s, que es el tiempo que se observa en una curva de un interruptor automático C60N curva C para diferenciar entre disparo por magnético o por térmico. Esta reconexión está siempre relacionado con un bloque vigi superinmunizado para aprovechar las ventajas que éste nos ofrece, pues nos evita disparos intempestivos.
Reconexión Vigirex: consiste en la distinción entre defecto diferencial y magnetotérmico y una actuación concreta en cada caso. La reconexión se realiza teniendo en cuenta unos tiempos que dependen del defecto que se ha producido y del acumulado de defectos, actuando de una manera u otra en función de estos parámetros. Tecnologías de reconexión Las diferentes tecnologías de reconexión cubren el amplio abanico de aplicaciones que nos podemos encontrar. Sus principales características se recogen en la tabla. Reconexión con nanoautómata El autómata es el elemento inteligente del sistema, su función consiste en discernir el tipo de defecto que se ha producido y temporizar las reconexiones en función de que sea magnetotérmico, diferencial, transitorio o permanente. Estas temporizaciones se llevan a cabo de manera escalonada y teniendo en cuenta los daños que pueda provocar, realizando las primeras reconexines a tiempos más cortos y las siguientes con mayor temporización. El autómata tiene la capacidad de comunicarse vía módem y el usuario puede realizarse su programa, si desea adecuarlo a su instalación. Con el mismo autómata es posible actuar de manera independiente sobre varios circuitos, según el modelo. Reconexión con Zelio En el caso de la reconexión con Zelio el relé programable es el encargado de realizar las temporizaciones necesarias, según el caso que se presente. El Zelio permite obtener una reconexión a más bajo coste donde la limitación se encuentra en el número de circuitos que es capaz de gobernar independientemente. Reconexión con Zelio
Reconexión con ATm El módulo ATm es un auxiliar del mando motorizado que permite realizar una reconexión más sencilla del interruptor automático asociado. Tiene unas limitaciones de temporizaciones, pues las reconexiones siempre se hacen con los mismos tiempos. El número de reconexiones y los tiempos de reconexión se pueden regular desde el frontal del dispositivo. El módulo ATm aporta las ventajas de que tiene un elemento Multi 9 de pequeñas dimensiones y coste reducido. Reconexión con Atm