Función de los relés en interruptores automáticos de BT

En las instalaciones BT se utilizan mucho los interruptores automáticos de 1 a 6300 A. Sus relés pueden ser de dos tecnologías diferentes:

1.       Relés magnetotérmicos,

Se aplican sobre todo en la gama doméstica e industrial de pequeño calibre. En estos aparatos de tipo modular, el relé está integrado en el interruptor automático.

2.       Relés electrónicos,

Reservados antes exclusivamente a los interruptores  automáticos de gran calibre, han pasado a utilizarse también en toda la gama de valores (figura 1), porque esta solución ofrece una gran flexibilidad y porque se han hecho cada vez más económicos.

Fig. 1: Evolución de los relés electrónicos

En efecto, el uso de la tecnología digital, especialmente la utilización simple de circuitos integrados específicos (ASIC) permite:

·         fabricar relés universales que facilitan el ajuste,

·         tratar más información,

·         asegurar la comunicación necesaria para el control y mando de la instalación.

Relé magnetotérmico

Este relé tiene un bimetal y una bobina electroimán, normalmente montados en serie con el circuito que hay que proteger.

La acción del bimetal es más rápida cuando la sobrecarga es elevada.

Siguiendo el principio del electroimán, la bobina, a partir de sobreintensidades importantes, de forma casi instantánea.

Relé electrónico

Este relé tiene captadores, un sistema electrónico de tratamiento de la información, un sistema de mando y un actuador (figura 2).

Fig. 2: Bloques funcionales de un relé electrónico

■  Captadores

Por una parte, los captadores de corriente producen una imagen de la corriente a medir y por otra, para tener una mayor seguridad de funcionamiento, producen la alimentación electrónica del relé (relés «autoalimentados»).

Como estos captadores deben realizar esta doble función (medida y alimentación del relé), utilizan un circuito magnético («TC de hierro»).

■ Tratamiento de la información

Este tratamiento tiene, esquemáticamente, las siguientes unidades funcionales (figura 3):

Fig. 3: Esquema funcional

• función (1): digitalizar la señal suministrada por el captador con la ayuda de un convertidor analógico/digital para seguir en tiempo real la evolución de la corriente,
• función (2): compensar la saturación del TC (si es necesario). En efecto, los TC con núcleo magnético se pueden saturar con grandes valores de corriente y este fenómeno aumenta en caso de elevación de la temperatura (figura 4).
• función (3): calcular el valor RMS de la corriente primaria,
• función (4): comparar el valor RMS con los umbrales de ajuste predeterminados por el usuario. Según el valor, esta comparación se hace con o sin temporización; al sobrepasarse el umbral, la circuitería electrónica dará una orden eléctrica a un actuador que la transformará en una acción mecánica de disparo del interruptor automático.

Fig. 4: Escalonamiento y corrección de la posible saturación de un TC

■ Actuador,

 La problemática del actuador es realizar esfuerzos instantáneos muy importantes... sin por otra parte consumir mucha corriente eléctrica. ¡Su acción requiere realizar un esfuerzo de varios Newtons en algunos milímetros, es decir, producir algunos julios durante algunos milisegundos, o sea, algunas centenas de vatio!

Por tanto, un actuador debe tener un rendimiento muy elevado, lo que excluye la utilización de electroimanes (bobinas) e implica la utilización de sistemas con energía potencial.

Gracias a esto, es posible el disparo ultrarrápido del interruptor automático en todas las circunstancias.

Función de medida de la corriente

Relé magnetotérmico

En realidad, en este tipo de relé, el bimetal no proporciona los valores de corriente, sino que actúa térmica y mecánicamente a sus efectos.

■ Térmico

El calentamiento de un bimetal se produce según el mismo principio que el de los conductores, es decir, la temperatura de calentamiento es proporcional al aporte de energía (J = RI²t) proporcionada por el paso de la corriente (I) durante un tiempo dado (t). Por tanto, el disparo lo provoca una energía J₀, que sigue la función t = f(I). Ésta está definida en la norma (CEI 60 947-2) por un punto concreto (I,t) que corresponde a una sobrecarga del 30% durante 2 horas.

Este parámetro determina el bimetal que corresponde al calibre del relé térmico.

En la práctica, un bimetal es:

• de calentamiento directo para pequeños interruptores automáticos: la corriente circula hacia el polo del interruptor automático  atravesando el propio bimetal; la constante de tiempo del bimetal es en este caso baja y comparable con la de los cables a proteger,
• de calentamiento indirecto para grandes interruptores automáticos: se enrolla directamente alrededor del bimetal un cable aislado a través del que circula la corriente. La distancia (de ahí la expresión de impedancia térmica) introduce un retardo en el calentamiento del bimetal cuya constante de tiempo aumenta. Sin embargo, esta constante de tiempo resulta normalmente mucho menor que la de los cables a proteger.

En los dos casos, la constante de tiempo térmica del bimetal no es ajustable.

■ Magnético

En caso de cortocircuito, la corriente de defecto que atraviesa la bobina crea un campo magnético suficiente para provocar el desplazamiento de una lámina móvil. Ésta libera el mecanismo de retención de los resortes y abre los contactos con una acción brusca.

El ajuste del umbral se hace en el entrehierro.

A partir del umbral escogido, el tiempo de funcionamiento es sensiblemente constante (de algunos milisegundos a 50 milisegundos) (figura 5).

Los relés magnetotérmicos no miden el valor de la corriente controlada.

Fig. 5: Curva de disparo de un interruptor automático magnetotérmico

Interruptor automático electrónico

■ Protección térmica (Largo Retardo)

El relé con tecnología digital utiliza el modelo de calentamiento y enfriamiento de un conductor.

De hecho, modeliza la temperatura del conductor calculando su calentamiento en tiempo real siguiendo su ecuación térmica. Una buena aproximación consiste en considerar que el calentamiento y el enfriamiento de un cable entre t y t + dt se hace según los siguientes principios físicos:

·         Calentamiento:

Resulta del aporte de calorías, especialmente por efecto Joule: Ai²tdt, siendo A una constante que depende de la resistencia, de la masa y del calor específico del conductor,

·         Enfriamiento:

Es el resultado de las pérdidas por conducción, convección y radiación.

Estas pérdidas son prácticamente proporcionales a la diferencia entre la temperatura del conductor y la temperatura ambiente, es decir, un calentamiento θ. O sea, en total, -λθdt siendo λ función de las características físicas y geométricas de la instalación del cable.

La ecuación térmica del cable es por tanto:

o también:

Siendo:

τ = 1/λ = constante de tiempo térmica del conductor.

Si se procede por muestreo digital a la frecuencia f tal que dt = 1/f, se obtiene una ecuación digital equivalente a (1):

O sea:

si la medida en el instante t representa la késima medida y en el instante t + dt, la (k + 1)ésima.

La resolución de esta ecuación digital permite por tanto la modelización exacta del calentamiento de un conductor.

Ahora bien, la ecuación (2), que representa la temperatura calculada por muestreo, no es ni más ni menos que la función de transferencia numérica de un filtro paso bajo de 1er orden (figura 6) al que se aplica como señal de entrada I ² _k , o sea:

S_k+1 representa el valor eficaz I_ef de la corriente después de k + 1 muestras.

Fig. 6: Algoritmo de filtrado (R) del filtro digital de paso bajo

Por este motivo, la instalación de un filtro de este tipo da simplemente la temperatura del cable por su equivalente en valor eficaz de la corriente.

·         ventajas de la tecnología digital:

• permite calcular, de forma muy simple, I²_k ,
• permite calcular el valor eficaz I_ef de la corriente, y por tanto de su calentamiento, en un período de tiempo compatible con las constantes de tiempo de los conductores (del orden de varios minutos a varias horas, porque los conductores tienen, según su sección, diferentes inercias térmicas (τ). Esta característica está integrada en el filtro integrador IIR (Infinite Impulse Response) del algoritmo de cálculo; la constante de tiempo se define según el dimensionamiento del interruptor automático porque éste depende de la sección y de la inercia térmica de los cables que ha de proteger,
• el análisis de esta ecuación en tiempo real indica que este cálculo es independiente de la frecuencia de red.

Esta gestión del calentamiento, que permite seguir la evolución de los calentamientos/ enfriamientos de los conductores, se llama también «memoria térmica» del relé electrónico.

■ Protección térmica: Largo Retardo (LR) y memoria térmica.

El comportamiento térmico de un cable definido por la ecuación (2) corresponde también a la función «largo retardo» del interruptor automático electrónico. Protege los cables y receptores contra las sobrecargas.

El valor de la temperatura θ (o su equivalente: corriente I_ef calculada por el filtro digital) se compara con el valor de ajuste del umbral de largo retardo, ligado al límite admisible θ_m (figura 7) realizando así la equivalencia digital de la función de un bimetal.

Fig. 7: Realización de la función Largo Retardo LR.

El conocimiento permanente del equivalente de la temperatura del cable proporciona, mientras no se sobrepase el valor θm, posibilidades nuevas en la protección de la carga y del cable, como son:

·         La indicación de la sobrecarga y la gestión de la salida protegida

• Esta indicación es posible desde el momento en que se rebasa la corriente de ajuste o ciertos umbrales preajustados, lo que permite el control de la carga de la derivación. El usuario puede también prevenir un disparo por sobrecarga desconectando alguna derivación no preferente. Este tipo de información abre el camino hacia los automatismos de distribución,

• La memorización de los calentamientos después de un corte de alimentación.

 Si una sobrecarga provoca el disparo de un interruptor automático o si se produce un corte en la alimentación eléctrica aguas arriba (conmutación de la carga sobre la fuente de emergencia, por ejemplo) se produce como consecuencia un enfriamiento continuo. Pero en este caso, al no estar alimentado el circuito electrónico, la gestión es diferente.

En cuanto se produce el corte, la variación en el tiempo de la temperatura de los conductores sigue la de la tensión de descarga de un circuito con una constante de tiempo muy larga (similar a la constante térmica de los conductores). Al volver la alimentación, por la conexión del interruptor automático o el reenganche de la carga, el circuito electrónico del relé recupera el valor de la tensión residual que se utilizará como nueva temperatura inicial de los conductores en el algoritmo de filtro que modeliza el calentamiento de los conductores.

         

■ Protección contra cortocircuitos (Corto Retardo – CR)

La función corto retardo protege la red contra sobreintensidades elevadas (en general, en distribución, del orden de 10 In, ajustable por el usuario).

Ésta se efectúa, de la misma manera que la protección de largo retardo, mediante un filtrado, pero el valor eficaz de la corriente es tratado en un periodo de tiempo (algunos milisegundos) compatible con la rapidez de actuación necesaria para esta función. En el tratamiento de la información puede estar integrado también un retardo intencionado ajustable por el usuario (figura 8).

Fig. 8: Estructura del conjunto de filtros largo retardo y corto retardo

■ Protección instantánea

La protección instantánea protege contra cortocircuitos francos.

El tratamiento se hace sobre el valor de pico no filtrado. No tiene temporización.

La protección de largo retardo, de corto retardo e instantánea dan la curva de disparo de un interruptor automático con relé electrónico (figura 9).

Fig. 9: Curvas de disparo de un interruptor automático electrónico.

FUENTE:

Schneider Electric: Los interruptores automáticos BT frente a las corrientes armónicas, transitorias y cíclicas (Michel Collombet, Bernard Lacroix).