Barras conductoras: Efectos electrodinámicos en caso de cortocircuito

Figura 1

Cuando 2 conductores paralelos son recorridos por corriente sufren una solicitación mecánica de:

●         Atracción, si las corrientes van en un mismo sentido.

●         Repulsión, si las corrientes van en sentido contrario.

En un juego de barras, de corriente alterna, trifásico tenemos:

Es decir, cada barra se ve sujeta a una solicitación mecánica transversal de frecuencia doble a la de la red.

Esta solicitación mecánica transversal produce una vibración sobre cada barra, que en servicio normal, no sólo puede traducirse en un ruido molesto si no que también, según sean las dimensiones de las barras y la distancia entre apoyos de las mismas, puede que entren en resonancia mecánica, con efectos destructivos.

El efecto dinámico de atracción-repulsión adquiere la máxima importancia en caso de cortocircuito, pues al ser proporcional al cuadrado del valor instantáneo de cresta de la corriente, en el momento inicial del cortocircuito (punta transitoria) puede llegar a valores tan altos que den lugar a deformación o rotura de las barras o sus apoyos y a contactos entre barras. Las barras y sus apoyos o soportes deben poder resistir estas solicitaciones.

Supongamos dos conductores rígidos y paralelos; dispuestos a una distancia d y montados sobre soportes distanciados una longitud h (figura 1). Si dichos conductores están recorridos respectivamente por corrientes I1 e I2 de sentido opuesto, se produce una fuerza de repulsión entre ellos de valor:

F = 2,04 h/d   I₁ ·   I₂ · 10^-2

Siendo expresados:

F: expresado en kp

I₁ e I₂: valor de cresta en kA

h y d: en igual unidad de longitud para h que para d

En un juego de barras, este esfuerzo es máximo en caso de cortocircuito. Si por ambas pletinas circula una misma corriente I, entonces I₁ = I₂ = Intensidad de cortocircuito máxima prevista, expresada en valor cresta, y la fórmula anterior se convierte en:

F = 2,04 I² · h/d · 10^-2

Esta fuerza produce sobre el apoyo-soporte un esfuerzo de cortadura en la cabeza, un esfuerzo de flexión en el cuerpo y un par F · H en la base.

Las barras y sus soportes deben dimensionarse para el esfuerzo máximo previsible. Este esfuerzo, en general, es el que se presenta cuando la corriente es la correspondiente al cortocircuito.

Ejemplo:

Sean unas barras en que h = 100 cm y d = 20 cm, y deben resistir una punta de corriente de cortocircuito de valor cresta 80 kA.

El esfuerzo mecánico será:

F = 2,04 · 100/20 · 80² · 10^-2 = 653 kp

Para una determinación aproximada del esfuerzo F que actúa sobre las barras puede utilizarse el gráfico de la figura 2. Este gráfico se refiere a barras paralelas con soportes situados a distancias h = 1 m.

Para distancias h diferentes, la fuerza F varía proporcionalmente.

Figura 2

Interruptores automáticos de Baja Tensión (y Parte 2ª)

Curvas

Tradicionalmente se ha representado la actuación de los interruptores automáticos por medio de las curvas de disparo "tiempo-corriente" (I-t). Posteriormente con el perfeccionamiento de los criterios de protección se han introducido otras curvas: dos curvas de "limitación", las de "energía específica" y las de "defecto a tierra".

Consecuentemente las curvas de actuación o disparo son:

·         Curvas "tiempo-corriente" ( I - t )

Figura 7: Curvas "tiempo-corriente" ( I - t )

Nuevas curvas de actuación de PIAS (A, B, C, D) (BCD S/ UNE/EN 60898) con la misma característica térmica y distinto disparo magnético.

Figura 8: Curvas de disparo regulables típicas de un interruptor con relés estáticos

Figura 9: Curvas de "tiempo-corriente" ( I - t ) de un Interruptor Automático de Caja Moldeada (MCCB) no limitador, con relés magnetotérmicos.

Figura 10: Curvas de "tiempo-corriente" ( I - t ) de un Interruptor Automático de Caja Moldeada (MCCB) limitador, con relés magnetotérmicos.

•    Curvas de "limitación" ( Ieficaz - Icortada de cresta )

Empleadas para evaluar la protección proporcionada por los interruptores automáticos, en caso de cortocircuitos, a los equipos y líneas protegidos por ellos.

Figura 11: Curva de limitación (I – t)

Figura 12: Curva de limitación (corriente cortada – corriente prevista)

·         Curvas de "energía específica" ( I² t )

Aplicables para evaluar la protección proporcionada por los interruptores automáticos, en caso de cortocircuitos, a los equipos y líneas protegidas por ellos.

Curvas de ( I ² t ) (energía específica) de funcionamiento de un Interruptor automático de Caja Moldeada (MCCB) limitador, con relés magnetotérmicos.

Figura 13: Curvas de “energía específica” ( I² t )

·         Curvas de "defecto a tierra" ( Io - t )

Permiten determinar el umbral de disparo frente corrientes de defecto a tierra y el     tiempo de actuación en caso de defecto a tierra  superiores a dicho umbral.

Protección

·         Protección contra sobrecargas

Las sobrecargas son situaciones en las que la corriente supera el valor asignado o nominal sin que exista defecto o falta.

En principio las sobrecargas no son peligrosas salvo que su duración sea excesiva produciendo calentamientos intolerables.

Los dispositivos de protección de sobrecargas deben detectar las sobrecorrientes y su duración (tiempo), actuando rápidamente en caso de fuertes sobrecargas y lentamente en caso de pequeñas sobrecargas dando oportunidad a que se reduzca la corriente de forma espontáneamente.

Los relés térmicos o de características inversa, o dependiente son las adecuadas para proteger contra sobrecargas, es decir dispositivos de acción retardada.

Según las normas UNE (española), EU (europeas) e IEE (internacional), se tiene una protección correcta de un conductor por un interruptor automático, cuando se cumple la condición expresada en la fórmula:

                                                                  1,45 IZ > I2

IZ = corriente máxima admisible por el conductor.

I2 = corriente de actuación del interruptor automático (como máximo 1h en PIAS o 2h en los demás MCCB y PCB).

·         Protección contra cortocircuitos

Los cortocircuitos, a diferencia de las sobrecargas, son situaciones con defecto (fallo de aislamiento o contacto de un conductor con dos partes activas a potenciales distintos).

Los daños causados por los cortocircuitos son de la mayor gravedad ya que casi siempre están acompañados de arco eléctrico de elevada temperatura (superior a 5000º k) con elevado riesgo de incendio y explosiones.

En algunos casos el cortocircuito se produce como consecuencia de sobrecargas no interrumpidas a tiempo deteriorando los aislantes.

Los relés magnéticos o de disparo instantáneo son los adecuados para proteger contra cortocircuitos según las normas UNE, EU e IEC.

El criterio o condición de protección es:

                                               ( I ² t ) funcionamiento IA   <   ( I ² t ) cable

·         Selectividad

Se dice que hay selectividad entre dos o más dispositivos de potencia cuando en caso de sobrecorriente (sobrecarga o cortocircuito) actúa únicamente el dispositivo inmediatamente aguas arriba del aparato en sobrecarga o del punto en cortocircuito.

Figura 14

A y B son selectivos si para toda sobrecarga en B o cortocircuito aguas abajo de B sólo dispara B (figura 14).

Existen dos tipos de selectividad:

Selectividad total

Sólo abre B para cualquier cortocircuito aguas abajo de B.

                Se expresa por: Iregulación magnética de A > Icc en B

Selectividad parcial

Cuando existe una banda de valores de corriente Icc aguas abajo de B que hacen actuar A y B, existiendo también un punto a distancia l' a partir del cual cortocircuitos a distancia superior de  l' serán cortados por B sin que A funcione.

·         Protección en serie

Se dice que hay protección en serie entre dos interruptores automáticos cuando el poder de corte Icu del situado "aguas abajo", es inferior a la corriente de cortocircuito prevista en el punto B y este interruptor es "ayudado" por A para cortar las corrientes entre su poder de corte, 50 kA y la corriente de cortocircuito prevista en B, 80 kA.

Figura 15: Protección en serie

Obviamente para corrientes superiores a 50 kA no hay selectividad entre A y B, pero sí puede haberla para corrientes inferiores a 50 kA.

La protección "en serie" requiere del fabricante la realización de ensayos de cortocircuito para comprobar la asociación citada. En cuanto el fabricante mediante ensayos, compruebe que:

                               ( I ² t ) soportables por B   <   ( I ² t ) de funcionamiento de A

Interruptores automáticos de Baja Tensión (Parte 1ª)

Definición

Aparato mecánico de conexión capaz de establecer, soportar e interrumpir corrientes en las condiciones normales del circuito, así como de establecer, soportar durante un tiempo especificado e interrumpir corrientes en condiciones anormales especificadas como las de cortocircuito.

NOTA

La capacidad de interrumpir corrientes de cortocircuito es la característica más genuina de los interruptores automáticos ya que la capacidad de cerrar y soportar el paso de corrientes de cortocircuito también la poseen los interruptores.

Figura 1: Elementos principales de un interruptor automático magnetotérmico

 Normativa

Hay dos grupos de normas para Interruptores Automáticos de B.T., una para los modulares bajo la denominación de:

"Interruptores automáticos para instalaciones domésticas y análogas para la protección contra sobreintensidades"

y otra para los Interruptores Automáticos de Caja Moldeada (MCCB) o Abiertos (PCB) que son para aplicaciones generales y llegan a 690V.

Las normas aplicables a los Modulares (MCB) son:

·         Internacional: IEC 60898.

·         Europea: EN 60898.

·         Española: UNE/EN 60898.

Para los interruptores automáticos "MCCB" o "PCB" se aplican las normas de aparamenta de baja tensión, formadas por la cabecera  60947 con 7 partes o publicaciones. Cada parte se refiere a un tipo específico de aparamenta , siendo la 60947-2 de interruptores automáticos de B.T., mientras que la 60947-1 contiene las generalidades comunes a toda la aparamenta de B.T.

En consecuencia la normas aplicables a los Interruptores Automáticos de B.T. (tanto MCCB como PCB) serán:

·         Internacional: IEC 60947-1 y IEC 60947-2

·         Europea: EN60947-1 y EN60947-2

·         Española: UNE/EN 60947-1 y UNE/EN 60947-2

Estructura de un interruptor automático

Figura 2: Estructura de un interruptor automático

Funciones de los interruptores automáticos

·         Maniobra de circuitos

 Efectuar operaciones de apertura y cierre de circuitos o aparatos de utilización.

·         Protección contra sobrecorrientes

o   Sobrecargas: Sobrecorrientes que superan la corriente nominal o asignada sin que exista defecto en el circuito.

o   Cortocircuitos: Sobrecorrientes que tienen su origen en una falta de aislamiento o contacto entre partes activas, generalmente son de valor elevado y acompañados de arco.

·         Establecer cortocircuitos

Cierre de circuitos en cortocircuito. El aparato debe tener capacidad de cierre en cortocircuito, símbolo (Icn) expresada en kA cresta.

·         Soportar cortocircuitos durante un tiempo especificado

Permitiendo que otro dispositivo generalmente "aguas abajo", interrumpa el cortocircuito. El aparato debe tener definida una corriente de corta duración admisible, símbolo (Icw) en kA eficaces simétricos, durante un tiempo especificado (valores normalizados 0,05 - 0,1 - 0,25 - 0,5 - 1 segundo, entre los que deberá elegirse uno.

·         Interrumpir cortocircuitos

El aparato deberá poseer poder de corte en cortocircuito, símbolo (Icn) o (Ics) en kA eficaces simétricos.

Selectividad de funcionamiento

Una función asociada a la actuación de los Interruptores automáticos de importancia creciente es la Selectividad de funcionamiento, con objeto de limitar al mínimo los circuitos fuera de servicio en caso de sobrecorriente.

Clasificación de los interruptores automáticos

Los Interruptores automáticos se pueden clasificar según diversos conceptos tales como:

·         El diseño

Caja moldeada

Pueden ser de dos tipos:

o   Modulares (en inglés Miniature Circuit Breakers. "MCB").

                                       -        Son de polos independientes acoplables.

                                       -        Para usos domésticos o análogos.

                                       -        Hasta, 125A, 40V.

o   De Potencia (en inglés Molded Case Circuit Breakes "MCCB").

                                       -        En caja única.

                                       -        Para usos generales.

                                       -        Hasta 2500A - 690 V.

Figura 3: Interruptor de Caja moldeada

Abiertos (o de bastidor metálico)

Concebidos para proporcionar prestaciones superiores a los MCCB en corriente, selectividad, accesorios simultáneamente incorporables, etc. La denominación inglesa es Power Circuit Breaker "PCB". Hasta 6000 A y 690 V.

Figura 4: Interruptor Abierto

·         El número de polos

                Los Modulares, también denominados vulgarmente Magnetotérmicos pueden ser:

o   Unipolares (I).

o   Bipolares con uno o dos polos protegidos (I+Na) a (II).

o   Tripolares (III).

o   Tetrapolares con tres o los cuatro polos protegidos (III+Na) o (IV).

Figura 5: Interruptores Modulares (magnetotérmicos)

·         El comportamiento ante el cortocircuito

o   No limitadores     

     Tienen un tiempo de interrupción ante cortocircuitos mayores de 20 milisegundos, permitiendo que pase la corriente de cresta máxima del cortocircuito. Los interruptores automáticos Abiertos y Selectivos son No Limitadores.

o   Baja Limitación

                      Son de Caja Moldeada de Poder de Corte bajo o medio.

o   Limitación Media/Alta

                     Con poder de corte de 100/120 kA 400V, tanto de tipo Caja Moldeada como Abiertos no Selectivos.

o   Muy Alta Limitación

                    Son de Caja Moldeada con doble interrupción y de Poder de Corte muy elevado 150/200 kA a 400 V o más.

·         La ejecución

o   Fijos

    Cuando están conectados rígidamente a la instalación.

o   Extraibles

   Tienen una base rígidamente unida a la instalación mientras que el interruptor automático es móvil y se puede enchufar a dicha base o desenchufarse (2 posiciones).

o   Seccionables

Tienen una base fija como los extraibles pero permiten (3 posiciones):

                                                      -        Enchufado.

                                                      -        Seccionado.

                                                      -        Extraido.

La posición Seccionado cumple con los requerimientos y normas de los seccionadores.

En la posición Seccionado el interruptor automático (parte móvil) se mantiene vinculado a la 

parte fija. La posición Extraido corresponde a retirado de la base o cuadro.

·         Las posibilidades de mantenimiento

o Concebidos para ser mantenidos (generalmente los abiertos) requieren accesibilidad e instrucciones de actuación.

o    Concebidos para no ser mantenidos (generalmente de caja moldeada).

·         Las aplicaciones específicas

o   Como ICP (Interrruptor de Control de Potencia).

o   Como interruptores automáticos homologados para la Marina Militar.

o   Interruptores automáticos calificados sísmicamente para Centrales Nucleares.

Constitución

Figura 6: Constitución de un interruptor automático de BT 

de tipo abierto (o de bastidor metálico)

·         Relé de sobrecorriente de tipo estático

                Están previstos para actuar en caso de:

o   Sobrecargas

o   cortocircuitos

                La tecnología de estos relés, es tradicionalmente:

o   Sobrecargas: Relés térmicos

o   Cortocircuitos: Relés magnéticos

En los últimos tiempos, solamente los interruptores automáticos miniatura (PÍA o MCB) están provistos de relés magnetotérmicos.

Los automáticos de potencias suelen equiparse con relés estáticos inicialmente analógicos y modernamente numéricos.

·         Cámara de arco

En ellas tiene lugar la extinción del arco. Esta se realiza gracias a su fragmentación, alargamiento y enfriamiento del arco.

Todas estas acciones provocan el incremento de la tensión de arco por encima de la tensión aplicada.

El arco se apaga en el paso de la corriente por cero y no se enciende posteriormente.

·         Contactos de arco (sólo en automáticos abiertos o de bastidor metálico)

En estos contactos se establece el arco, tanto en el cierre como en la apertura.

Poseen una gran resistencia a la erosión provocada por el arco (metal duro).

·         Mando con almacenamiento de energía

Proporciona la velocidad de cierre y de apertura a los contactos.

Debe ser de "maniobra independiente" en automáticos (MCCB y PCB).

Deben ser de "disparo libre" cualquiera que sea su tecnología.

El mecanismo puede o no ser capaz de almacenar energía de cierre estando cerrado (puede pues efectuar la conexión rápida, efectuando sin transmisión, en la posición cerrado, las maniobras:

                                                               "apertura-cierre-apertura"

·         Circuito principal

Debe soportar la corriente nominal asignada ininterrumpidamente sin superar los calentamientos normalizados.

Debe permitir el paso de la corriente de cortocircuito dinámica y térmica durante 1 segundo.

Continúa en: Interruptores automáticos de Baja Tensión (y Parte 2ª)