Ingeniería de Máquinas y Sistemas Eléctricos: Protección contra sobrecargas y cortocircuitos en Baja Tensión

Protección contra Sobrecargas

Las sobrecargas no son perjudiciales, siempre que su duración no permita que se alcancen temperaturas inadmisibles. Para una correcta utilización de los circuitos, no deben producirse desconexiones indebidas. Esto implica que el dispositivo de protección contra sobrecargas sea de «tiempo-dependiente» o «característica térmica». Normalmente, el dispositivo mide el calentamiento «indirectamente» mediante el control de la intensidad que recorre el circuito.

Para la aplicación correcta de este sistema, se requiere conocer la «imagen térmica» (curva tiempo-corriente admisible) del aparato que hay que proteger, lo que sucede pocas veces. Si se conoce esta característica, se debe elegir la protección teniendo en cuenta lo indicado en la figura 1.

Cuando no se conoce la curva de imagen térmica, la aplicación de relés térmicos que cumplan las normas UNE y CEI establecidas suele ser suficiente.

Figura 1: Protección contra sobrecargas

En este caso, para una buena elección del relé deben tenerse en cuenta, entre otras: las características de arranque de la máquina (corriente, duración y frecuencia), la temperatura ambiente (de la máquina y del relé de protección), etc. Los relés térmicos normalizados proporcionan en general una protección conservadora.

El elemento básico de un relé térmico de sobrecarga es una lámina bimetálica, es decir, constituida por dos metales de diferente coeficiente de dilatación y calentada por la corriente que atraviesa el circuito principal; este calentamiento puede ser:

Directo, si por la bilámina pasa toda la corriente del circuito.
Indirecto, si la corriente pasa por un arrollamiento calefactor que rodea la bilámina.

En la lámina bimetálica, por ser diferente el coeficiente de dilatación térmica de ambos metales, al aumentar la temperatura éstos sufren un alargamiento, que será diferente en ambos. Al estar soldados por sus extremos, el metal cuyo coeficiente de dilatación sea mayor se curvará sobre el otro, de forma que, si no se fija uno de los extremos de la lámina bimetálica, el otro extremo de la bilámina se desplazará hacia el lugar ocupado por el metal de menor coeficiente de dilatación térmica (figura 2).

Si esta bilámina, al llegar en su curvatura a un punto determinado, acciona algún mecanismo, abre un contacto o actúa sobre cualquier otro dispositivo solidario con el mecanismo de disparo de un interruptor automático, como la bobina de un contactor, etc., se puede conseguir la desconexión de dicho interruptor o contactor.

La corriente de caldeo puede ser la corriente de carga o, en el caso de intensidades elevadas, una parte proporcional de la corriente de carga, suministrada por el secundario de un transformador de intensidad conectado en el circuito principal.

Figura 2: Principio de funcionamiento de un relé térmico de sobrecarga

Figura 3: Contactor con protección térmica en las tres fases. Los fusibles

constituyen la protección contra cortocircuitos

Protección de Cortocircuitos

Las corrientes de cortocircuito, a consecuencia del elevado valor que suelen alcanzar, ocasionan un rápido calentamiento de los conductores por los que circulan. La interrupción de estas corrientes debe realizarse en el menor tiempo posible.

Los daños que pueden producir estas corrientes, son, sucesivamente:

Envejecimiento.
Carbonización o inflamación de los aislamientos.
Fusión de los conductores.
Disminución de las características mecánicas de las partes conductoras o metálicas adyacentes (resortes, etc.).

El primero de los efectos señalados que se presenta es el envejecimiento de los aislamientos. Para evitarlo, la temperatura momentánea no debe superar determinados valores especificados por los fabricantes.

Las temperaturas máximas admisibles (para una duración no superior a 5 s) son:

Cables con aislamiento de PVC 160 ºC
Cables con aislamiento de caucho natural 200 ºC
Cables con aislamiento de butil 220 ºC
Cables con aislamiento de PRC o EPR 250 ºC

Los cortocircuitos son siempre perjudiciales y deben interrumpirse cuanto antes. Por este motivo, los dispositivos de protección contra ellos deben ser «instantáneos» (también llamados de «tiempo-independiente») y han de actuar sobre equipos capaces de abrir el circuito en presencia de estas corrientes elevadas. El medio más utilizado para la protección de cortocircuitos es el interruptor de potencia (figura 4).

Figura 4: Interruptor de potencia para una intensidad nominal de 800 A

Con el objetivo de cumplir adecuadamente sus misiones de mando y protección, los interruptores de potencia suelen estar provistos de toda una serie de mecanismos y dispositivos de desenganche o desconexión. A continuación se citan los más interesantes:

Dispositivos térmicos de desenganche con retardo dependiente de la corriente, que se utilizan para la protección contra sobrecargas (figura 5).
Dispositivos de desenganche electromagnéticos de sobreintensidad, utilizados como desenganches rápidos para la protección contra cortocircuitos. Estos dispositivos actúan por atracción electromagnética no retardada (o sólo brevemente retardada) de una armadura y se ajustan, según los impulsos de carga admisibles, a un múltiplo de la corriente nominal, de forma que no reaccionan a las intensidades de arranque y a las sobrecargas normales de servicio. Los dos dispositivos de desenganche citados son atravesados por la corriente principal.
Dispositivos de desenganche magnetotérmicos constituidos por la combinación, en un sólo bloque, de los dispositivos térmicos contra sobrecargas y electromagnéticos contra cortocircuitos indicados anteriormente (figura 6).
Dispositivos de desenganche electromagnéticos con retardo por dispositivo mecánico de freno, que tienen una curva «sobreintensidad-tiempo» que depende de la corriente y dispara sin retardo en caso de cortocircuito. Al contrario de lo que sucede con los dispositivos térmicos de desenganche, el tiempo de desenganche es independiente de la carga previa; resultan insuficientes para la protección de motores.
Dispositivos de desenganche electromagnéticos de mínima tensión, que están conectados a la tensión de servicio y disparan al disminuir la tensión hasta un 50 % de su valor nominal, aproximadamente, soltando su armadura magnética. De esta forma, impiden el nuevo arranque automático de los motores u otros órganos protegidos al volver la tensión de servicio. A un 70 %, aproximadamente, de la tensión nominal permiten la conexión de su interruptor.
Dispositivos de desenganche electromagnéticos de corriente de trabajo (emisión de corriente). Se utilizan para el disparo a distancia, por cierre de su circuito de corriente, en interruptores de trinquete. Reaccionan con un 50 % de su tensión nominal y se desconectan por medio de un contacto auxiliar del interruptor de potencia.

Figura 5: Curvas de desconexión de elementos térmicos

La capacidad nominal de ruptura o de desconexión es un múltiplo de la corriente nominal del interruptor. Se define como el valor efectivo de aquella corriente que, a un factor de potencia determinado y con 1,1 veces la tensión nominal, puede ser conectada y desconectada; como valores del factor de potencia del circuito de corriente de ensayo se eligen 0,7 para pequeñas intensidades de corriente, y 0,4 para grandes intensidades.

Contrariamente a otros aparatos de maniobra y mando (contactores, guardamotores, etc.) que son maniobrados varias veces al día, los interruptores de potencia permanecen conectados, en ciertas circunstancias, durante semanas e incluso meses. Por ello dichos interruptores se construyen para una frecuencia reducida de maniobra; generalmente, se considera una duración total útil de unas 100.000 maniobras.