Capitulo 7 ing.eléctrica

CAPITULO 7

DISPOSITIVOS DE PROTECCIÓN

7.1 INTRODUCCIÓNEs imposible para una corriente eléctrica circular por un conductor sin producir un calentamiento en éste. Al incrementarse la corriente se eleva la temperatura en el conductor, siendo el calor producido proporcional al cuadrado de la corriente.

Si la temperatura del conductor se eleva a valores no permisibles, el aislamiento se degrada rápidamente presentándose grietas que pueden provocar cortocircuitos. Es por lo tanto indispensable limitar la corriente a un valor máximo que dependerá del calibre del conductor. Esto se logra mediante dispositivos de protección que pueden ser fusibles o interruptores termo magnéticos.

7.2 FUSIBLESSon elementos de protección que constan de un alambre o cinta de una aleación de plomo y estaño con un bajo punto de fusión, que se funde cuando se excede el límite de corriente para el cual fue diseñado, interrumpiéndose el circuito. Se fabrican en los tipos siguientes:

7.2.1 DE TAPÓN CON ROSCA.- Son usados generalmente en casas habitación y se obtienen en capacidades de 10, 15, 20, 25 y 30 amperes. Las Normas Oficiales Mexicanas prohíben el uso de fusibles tipo tapón en circuitos que tengan entre conductores tensiones mayores de 127 V, excepto en el caso de que dichos circuitos estén alimentados por un sistema con neutro a tierra y siempre y cuando la tensión de cualquiera de los conductores con respecto a tierra no exceda de 150 V.

Figura 7.1 Fusibles tipo tapón.

7.2.2 DE CARTUCHO.- Pueden ser de tipo casquillo para capacidades de 3 a 60 amperes y, de tipo navaja para capacidades de 75 a 600 amperes. Los listones fusibles en estos dispositivos son renovables y los voltajes de operación pueden ser de 250 y de 600 V.

edmundo gutiérrez vera d. r.

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De acuerdo con sus características eléctricas, los listones fusibles pueden ser de tipo normal o de acción retardada. El tipo normal está formado por una cinta o alambre de sección uniforme y el de acción retardada tiene varias partes con una sección mayor y las cuales están diseñadas para absorber sobre corrientes por cortos intervalos de tiempo al disiparse en estas áreas mayores el calor generado por las sobre corrientes. En las figuras 7.1 y 7.2 se muestran esquemas de fusibles tipo casquillo y tipo navaja y, de listones fusibles de tipo normal y de acción retardada respectivamente.

FUSIBLE TIPO CASQUILLO FUSIBLE TIPO NAVAJA

Figura 7.2 Diferentes tipos de fusibles de cartucho.

FUSIBLE DE ACCIÓN NORMAL

FUSIBLE DE ACCIÓN RETARDADA

Figura 7.3 Diferentes tipos de listones fusibles.


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Figura 7.4 Curvas típicas de operación de fusibles normales y de

acción retardada.

En la tabla No. 12 al final de esta obra, se dan las capacidades y dimensiones de los fusibles tipo cartucho.

Estos fusibles deben colocarse en interruptores de seguridad cuyas características principales son las siguientes:

TIPO NORMAL: Caja protectora de lámina, con puerta y palanca exterior. Tiro sencillo. Mecanismo rápido de desconexión para capacidades superiores a 60 amperes. Base de porcelana hasta capacidades de 100 amperes y de pizarra para

capacidades mayores. Dos o tres polos

TIPO PESADO: Puerta con seguro para evitar abrirla en posición de cerrado. Mecanismo rápido de conexión y de desconexión. Dispositivos de supresión del arco eléctrico. Partes conductoras plateadas.

7.3 INTERRUPTORES TERMOMAGNETICOSSon dispositivos cuya función básica es proteger un circuito eléctrico contra fallas tanto de sobrecarga como de cortocircuito. Es también función del termo magnético el abrir y cerrar manualmente un circuito eléctrico.


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DIMENSIONES DE INTERRUPTORES DE SEGURIDAD, 3 POLOS, 600 VOLTS

Fig.7.5 Interruptor de Seguridad 7.3.1 CORRIENTE DE OPERACIÓN Y CAPACIDAD INTERRUPTIVALa corriente de operación de un interruptor termo magnético es la corriente máxima a régimen continuo y a una temperatura determinada, generalmente 40° C, a la cual el interruptor trabaja sin dispararse. Existen algunos tipos de interruptores equipados con compensadores térmicos que protegen el mecanismo del interruptor contra temperaturas superiores a las de diseño.Cuando un interruptor termo magnético opere a su máxima capacidad durante períodos continuos de tres horas o más, deberá seleccionarse para un rango superior en un 25% a la citada carga continua. Por ejemplo, si un circuito conducirá 100 amperes en un régimen continuo, no deberá protegerse con un interruptor termo magnético de 100 amperes de capacidad sino que, en este caso, deberá instalarse uno de 125 amperes.

La capacidad interruptiva de un termo magnético es la corriente máxima de cortocircuito que de acuerdo con sus características de diseño, el interruptor puede manejar sin que exista posibilidad de daños en sus mecanismos.

7.3.2 FACTORES QUE AFECTAN LA CAPACIDAD DEL I. T. M.FRECUENCIA.- Para frecuencias hasta de 120 hertz no se tienen problemas en la capacidad de conducción de un interruptor termo magnético. Para frecuencias mayores como las que son usadas en algunos sistemas de cómputo, se reduce la ampacidad y la capacidad interruptiva del termo magnético, debido al incremento de resistencia por calentamientos producidos por efectos de las corrientes de Eddy. Para estos casos se requieren calibraciones especiales o bien, considerar una capacidad superior a la nominal.

TEMPERATURA.- Los interruptores termo magnéticos se calibran a 40° C. Si no se tienen compensadores térmicos, a temperaturas mayores se reduce la ampacidad de estos dispositivos. A 50° C por ejemplo, la ampacidad disminuye de un 6 a un 9%, dependiendo de la capacidad del interruptor. A 60° C, la ampacidad disminuye de un 13 a un 18%.

ALTURA SOBRE EL NIVEL DEL MAR.- Para alturas mayores a los 1830 msnm, es necesario considerar una reducción en las capacidades de operación e interruptivas del termo magnético, debido a que la menor densidad del aire no permite disipar eficientemente


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el calor existente en las partes conductoras. También se disminuye la capacidad dieléctrica y no soporta los mismos niveles de voltaje que a alturas bajas.

7.3.3 TIPOS DE INTERRUPTORES TERMOMAGNETICOSExisten dos tipos de interruptores termomagnéticos que son:

INSTANTÁNEOS.- En estos interruptores tanto las corrientes de sobrecarga como las de cortocircuito energizan y hacen operar una bobina con núcleo movible que al desplazarse por los efectos magnéticos de cualquiera de las corrientes antes señaladas, permite la operación de resortes que abren los contactos del interruptor.

DE TIEMPO INVERSO.- Estos interruptores están formados por la combinación de un elemento térmico y uno magnético. El elemento térmico consiste en la unión de dos placas metálicas que tienen diferente coeficiente de dilatación. En caso de una sobrecarga sostenida, el paso de la corriente calienta estas placas y su diferente coeficiente de dilatación provoca una deformación que al actuar sobre la barra de disparo permite la operación de un resorte que acciona el mecanismo de disparo del interruptor.

El elemento magnético consiste de una bobina con núcleo movible que provoca la apertura del interruptor en forma instantánea cuando se presentan corrientes de cortocircuito. Esta bobina está diseñada para no operar con corrientes de sobrecarga que no sean excesivas.

Por regla general puede establecerse que los interruptores termomagnéticos operan por sobrecarga cuando la corriente es 20% superior a la nominal y se sostiene por 20 segundos o más. En condiciones de cortocircuito la operación del interruptor es instantánea (del orden de 0.010 seg.). En la figura 7.5 se muestra el diagrama esquemático de un interruptor termo magnético de tiempo inverso.

Figura 7.6 Diagrama esquemático de un interruptor termo magnético.

OPERACIONES INDESEADAS DE LOS I. T. M.


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En ocasiones los termomagnéticos operan en forma indeseada lo cual puede deberse a los siguientes motivos:

Altas temperaturas ambientes. Terminales flojas. Hay falsos contactos, arcos eléctricos y corrientes superiores a la

normal que provocan el disparo del interruptor. Calibre inadecuado de conductores del circuito. Hay calentamientos, aumentos de

resistencia y disparo por sobrecarga. Motores con alto par de arranque. La excesiva corriente durante el arranque hace

operar el elemento magnético como si fuera corriente de cortocircuito.

Los interruptores termomagnéticos están colocados en cajas moldeadas de baquelita, fibra de vidrio y resinas epóxicas que proporcionan una adecuada resistencia mecánica y dieléctrica. Estas cajas moldeadas que se conocen como marcos, no varían de tamaño para diferentes capacidades interruptivas, variando sólo las características de los diferentes componentes del interruptor, lo que le da una mayor o menor resistencia para absorber los esfuerzos electromecánicos provocados por corrientes de cortocircuito de diferente magnitud.

En la tabla No. 13 al final de esta obra se dan las capacidades y dimensiones de los interruptores termomagnéticos que existen actualmente en el mercado.

7.3.5 ACCESORIOS DE LOS I.T.M.Existen diferentes accesorios para los interruptores termo magnéticos y los cuales se señalan a continuación, siendo pertinente señalar que estos dispositivos se montan directamente en la fábrica por lo que, de requerirse alguno de ellos deberá solicitarse expresamente.

BOBINA DE CONTROL.- Se utiliza para abrir o cerrar interruptores termomagnéticos desde una estación remota.

BOBINA DE BAJA TENSIÓN.- Se energiza a 120 V de la línea que alimenta el I. T. M. a través de un pequeño transformador de potencial. Cuando el voltaje de la línea baja al 80% del valor nominal, provoca el disparo automático del interruptor. Este se podrá cerrar nuevamente cuando el voltaje alcance de un 85 a un 90% del valor nominal. Este dispositivo se utiliza para protección de motores y de otro equipo eléctrico, contra bajos voltajes.

CONTACTOS AUXILIARES O DE ALARMA.- Son contactos que al cerrarse, indican en estaciones remotas si los interruptores están abiertos o cerrados o bien, operan alarmas cuando un I. T. M. se dispara.

7.3.6 GABINETES DE LOS I. T. M.Los interruptores termo magnéticos se instalan en centros de carga o tableros de alumbrado que pueden ser de una, dos o tres fases; dos, tres o cuatro hilos; 120, 240, 480 ó 600 V y donde pueden instalarse desde uno hasta 42 circuitos. Estos tableros o gabinetes se clasifican de acuerdo con su construcción en los siguientes:

NEMA 1. USOS GENERALES.- Para servicio interior, condiciones atmosféricas normales. Está construido de lámina metálica.


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NEMA 2. A PRUEBA DE GOTEO.- Para servicio interior. Ofrece protección contra goteo de líquido. Las entradas de tubo conduit requieren de conectores especiales.NEMA 3. SERVICIO INTEMPERIE.- Para servicio exterior; protección contra la humedad y el polvo; resistente a la corrosión.NEMA 3 R. A PRUEBA DE LLUVIA.- Para servicio exterior; resistente a la corrosión; requiere de conectores especiales.NEMA 4. A PRUEBA DE AGUA Y POLVO.- Servicio exterior; a prueba de salpicaduras de agua; protección hermética contra polvo.NEMA 5. A PRUEBA DE POLVO.- Para servicio interior; protección hermética contra el polvo.NEMA 7. A PRUEBA DE EXPLOSIÓN.- Para servicio interior o exterior en atmósferas peligrosas por la presencia de gases explosivos. Su gabinete es fundido y requiere de conectores especiales.NEMA 9. A PRUEBA DE POLVOS EXPLOSIVOS.- Para servicio interior o exterior en atmósferas peligrosas. Tiene protección hermética para evitar la entrada de polvo. Requiere de conectores especiales.NEMA 12. SERVICIO INDUSTRIAL.- Para servicio interior. Cuenta con protección contra polvo, pelusas, goteo, salpicaduras, insectos, etc. Requiere de conectores de sello.

DIMENSIONES DE TABLEROS DE DISTRIBUCIÓN PARA EMPOTRAR, PARAINTERRUPTORES TERMOMAGNETICOS DE UN POLO

Fig. 7.7 Tablero de I. T. M.

7.4 INTERRUPTORES DE TIPO ELECTRÓNICOSon dispositivos de protección donde se han sustituido los elementos electromagnéticos de los interruptores convencionales, por circuitos electrónicos. Estos interruptores han reducido el tiempo de respuesta al cortocircuito, de 10 a 2.5 milisegundos. Pueden tener disparo y cierre eléctrico además del manual, tienen amplios ajustes al disparo por sobrecarga (del 50 al 200%) y se pueden obtener hasta con cuatro funciones, las que son: disparo por cortocircuito con retraso de tiempo lo cual permite una magnífica coordinación de las protecciones, disparo por cortocircuito normal, disparo con amplio rango de ajuste por sobrecarga y, disparo por falla a tierra.


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Los interruptores de tipo electrónico se fabrican actualmente sólo para altas capacidades de corriente. generalmente de 600 a 6000 amperes y su costo es aún muy elevado en comparación con los termomagnéticos convencionales.

7.5 INTERRUPTORES DE FALLAS A TIERRASon interruptores termo magnéticos especialmente diseñados para proteger a las personas contra riesgos potenciales que se deriven de las fallas a tierra en equipos defectuosos y herramientas portátiles. Estos dispositivos además de los elementos electromagnéticos clásicos de los interruptores convencionales (elemento térmico y elemento magnético), cuentan con un circuito electrónico de alta sensibilidad que permite detectar las fallas a tierra aún cuando su corriente sea muy pequeña. En la figura 7.7 se muestran los diagramas de conexiones para circuitos de contactos de 127 y 220 V que se encuentran protegidos por interruptores termo magnéticos de fallas a tierra.

La sección 210-8 de las Normas Oficiales Mexicanas para Instalaciones Eléctricas establecen que todos los contactos monofásicos de 127 V, instalados en baños, cocheras, exteriores, espacios ocultos, desniveles o sótanos empleados como áreas de trabajo y, los que se encuentren en la cocina a una distancia menor de 1.8m de piletas o fregaderos en unidades de habitación, así como todos los contactos monofásicos de 127 V instalados en baños de comercios, industrias u otros edificios, deberán tener interruptor protector de fallas a tierra del tipo señalado en el párrafo anterior.

Figura 7.8 Diagrama de conexión de un interruptor de fallas a tierra.

7.7 SISTEMAS DE ALIMENTACIÓN7.7.1 MONOFÁSICO DOS HILOSConsiste de una fase y neutro con voltaje de 127 V entre ellos. Se utiliza para casas habitación chicas y medianas y para comercios pequeños.

7.7.2 MONOFÁSICO TRES HILOSSe utiliza en casas habitación medianas, en comercios y locales de uso general con cargas medianas y en aquellos lugares donde aún teniendo cargas pequeñas se requiere de alimentación a 220 V. Este sistema consiste de dos fases y neutro.


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7.7.3 TRIFÁSICO TRES HILOS (DELTA)Es utilizado para alimentar cargas bifásicas o trifásicas donde no se requiere neutro.

7.7.4 TRIFÁSICO CUATRO HILOS (ESTRELLA)Cuenta con tres fases y con un neutro sólidamente aterrizado. Pueden utilizarse para cargas de alumbrado que operen a 127 y a 220 V y para cargas monofásicas o trifásicas de fuerza que operen a 120 y a 220 V. Obvio es decir que si en un local se requiere que los equipos operen a voltajes diferentes a los antes señalados, como 440 V por ejemplo, el tablero y los interruptores deberán seleccionarse para estos niveles de voltaje.

MONOFÁSICO DOS HILOS MONOFÁSICO TRES HILOS

TRIFÁSICO TRES HILOS TRIFÁSICO CUATRO HILOS

Figura 7.9 Diagramas de tableros de distribución.Conviene señalar que la Comisión Federal de Electricidad tiene la política de proporcionar los servicios con una fase y neutro si la carga instalada es hasta de 5000 W. Con dos fases y neutro si la carga es de 5001 hasta 10000 W y, con tres fases y neutro si la carga es mayor de 10000 W. Lo anterior no es limitante para que un usuario si así lo requiere, obtenga acometidas con dos o tres fases aún cuando su carga total instalada no llegue a los límites establecidos.


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En la figura 7.8 anterior, se muestran los esquemas de conexiones en tableros, para los diferentes sistemas de alimentación. Es importante señalar que cada circuito derivado debe llevar su propio neutro que saldrá de la barra correspondiente del tablero de distribución, no siendo aceptable emplear un neutro común para dos o más circuitos derivados.

7.8 LOCALIZACIÓN DE LOS TABLEROS DE DISTRIBUCIÓNDado que de estos tableros parten los circuitos derivados que alimentan todas las cargas de un local, es muy conveniente que el tablero se ubique lo más cerca posible del centro eléctrico o centro de carga del local de que se trate. Si tenemos por ejemplo una industria donde se tenga perfectamente localizada la ubicación de los motores que se utilizarán, el punto ideal para la colocación del tablero o centro de control de motores en su caso, se obtendrá de la siguiente manera:

Figura 7.10 Localización del centro de carga eléctrico.

Lcx = W1 * Lx1 + W2 * Lx2 + W3 * Lx3 + ... + Wn * Lxn

W1 + W2 + W3 + ... + Wn Lcy = W1 * Ly1 + W2 * Ly2 + W3 * Ly3 + ... + Wn * Lyn

W1 + W2 + W3 + ... + Wn


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