APARATOS DE PROTECCIÓN

COMANDO Y CONTROL

Toda instalación eléctrica, además de los conductores y canalizaciones, posee una serie de dispositivos que permiten maniobrar a voluntad los circuitos, proteger tos materiales que la componen de daños que pudieran producirse en la misma por eventuales defectos, y controlar sus variables. Son los aparatos de protección, comando y control.

APARATOS DE COMANDO

Los dispositivos de comando permiten maniobrar el funcionamiento de un determinado aparato de consumo interrumpiendo a voluntad y en forma cómoda y segura el pasaje de la corriente; están representados por los interruptores.

Los interruptores son dispositivos que se intercalan en un circuito eléctrico cuya función es abrir (o cerrar) el mismo, comandando por consiguiente el funcionamiento de un cierto aparato (p.ej. una lámpara). A esos efectos, es suficiente que corte uno solo de tos polos interrumpiendo el pasaje de la corriente: son los interruptores unipolares. Pero aún cuando el receptor deje de funcionar, el mismo continúa conectado a la fuente por el otro conductor, de forma que no se pueden tocar los contactos sin exponerse a un accidente. Existen otros tipos de interruptor, que además de abrir el circuito en un punto, aislan el aparato de la fuente cortando todos los polos: son los interruptores bipolares que cortan los dos polos en una instalación monofásica y los tripolares que cortan los tres polos en una instalación trifásica. Son muy utilizados en ambientes húmedos por razones de seguridad; y las disposiciones reglamentarias determinan ciertas puestas que deben ser obligatoriamente comandadas por interruptores omnipolares, (que cortan todos los polos).

En el caso de instalaciones trifásicas en 400 V con neutro en que los circuitos monofásicos de 220 V se hacen entre polo vivo y neutro (teóricamente a potencial cero), puede interrumpirse solamente el polo vivo siendo innecesario cortar el neutro. Existen dos tendencias para la protección de derivaciones, una en que se corta el neutro y otra no, utilizando en el primer caso disyuntores bipolares y en la segunda unipolares. En viviendas, los IAC (Interruptores Automáticos de Circuitos) deben ser reglamentariamente de corte omnipolar por razones de seguridad, aún cuando en circuitos de 400 V es suficiente cortar los polos vivos.

Los interruptores más usados en edificios son:

• los unipolares comunes.
• los bipolares comunes.
• los de dos y más secciones, que no son más que la unión en una misma pieza de dos o más interruptores unipolares, para la maniobra desde un único punto varias luces con un solo interruptor múltiple.
• los de combinación (en realidad conmutadores sin posición abierto) para comandar un circuito desde dos puntos (caso de la luz de escalera).

Se distinguen por su forma de operación interruptores de accionamiento manual y de comando a distancia en los que mediante un botón pulsador se acciona una bobina que comanda el cierre y la apertura del mismo.

Los tipos de interruptores son muy variados, tanto por sus detalles como por sus características de funcionamiento, pero todos ellos tienen una construcción similar. Constan de:

• un soporte aislante sobre el que se montan los diversos elementos.
• una base conductora con sus bornes de entrada y salida en la que se inserta el interruptor.
• el interruptor en sí, con sus contactos fijos y móviles, sistema de accionamiento con mecanismo de corte rápido y elementos accesorios que pueden o no existir (apaga chispas, contactos auxiliares, etc.).
• una cubierta de protección que impide e! acceso a los elementos bajo tensión.
En el cuadro siguiente se listan las clases de interruptores mencionados.

APARATOS DE PROTECCIÓN

Los elementos de una instalación eléctrica se dimensionan para una determinada capacidad; el funcionamiento por encima de la misma, puede producir daños de entidad y ser causa de acci-dentes. Por consiguiente, toda instalación debe poseer dispositivos de protección que se intercalan al comienzo de cada circuito, los que interrumpen en forma automática el pasaje de la corriente cuando la misma sobrepasa los valores de diseño. Debe recordarse que esos dis-positivos protegen conductores y no aparatos de consumo, por lo que su capacidad debe estar de acuerdo con la sección de'los mismos; si los aparatos poseen elemento de protección, es propio de los mismos y se dimensiona de acuerdo con su potencia.

Todos los conductores vivos pertenecientes a una línea o derivación (entendiendo por con-ductores vivos aquellos que tienen potencial distinto de cero) deben tener en su arranque su correspondiente elemento de protección y eventualmente de comando. En cambio, los con-ductores de protección no deben cortarse en ningún punto de la instalación, y no es obligatorio cortar el conductor neutro; solamente es reglamentaria-mente obligatorio en el ICP, que debe ser bipolar para suministros monofásicos y tetrapolar monobloc para trifásicos con neutro.

Por lo tanto, en la instalación no se colocan elementos de protección ni maniobra para los con-ductores neutros y de protección (tierra) salvo en los casos indicados. Aparecen en su lugar en los tableros, barras o borneras para conexión:

• de los conductores de protección de la instalación interior con la derivación de la línea prin
cipal de protección (tierra).
• de los conductores neutros en tableros trifásicos 400 V.
sistema que ofrece mayor seguridad que los tradicionales empalmes permitiendo las conexiones en forma firme y ordenada. Un puente desconectar permite aislar neutro y tierra de las derivaciones con fines de operación.

Los defectos que pueden producirse son de dos tipos: sobrecargas y cortocircuitos.

Las sobrecargas se producen cuando en un circuito se conecta un aparato de consumo que absorbe una potencia superior a la de diseño del mismo, o existen contactos accidentales indi-rectos entre los conductores vivos o entre un conductor vivo y otro de potencial diferente. Eso provoca el pasaje de una corriente excesiva que eleva la temperatura del conductor, la que depende del valor de la corriente de defecto y el tiempo que la misma se mantiene; cuanto mayores sean la corriente y el tiempo que se mantiene, mayor es la elevación de la temperatura, pudiendo finalmente dañar la aislación de los conductores.

Los cortocircuitos en cambio provocan daños en forma instantánea; se producen cuando existe un contacto franco entre los conductores vivos o entre un conductor vivo y otro de potencial diferente (p.ej. neutro o tierra); la corriente que circula es de tal intensidad que en un tiempo despreciable puede provocar daños de entidad en la instalación.

Por consiguiente, los aparatos de protección deben cortar la corriente en tiempo cero en corto-circuito, y en tiempo que depende de la intensidad del defecto en sobrecargas, permitiendo el aumento de la corriente por un tiempo limitado, tanto mayor cuanto menor sea el aumento de la intensidad.
Existen dos tipos de aparatos de protección: los fusibles y los interruptores automáticos.

Los fusibles son protecciones destructivas, puntos débiles de la instalación que se destruyen a si mismos para protegerla. Hay variedad de fusibles, pero su construcción es siempre similar constan de:

• un soporte aislante sobre el que se montan los diversos elementos
• una base conductora con sus bornes de entrada y salida en la que se inserta el elemento fusible
• el fusible en sí formado por un alambre o lámina de metal (plomo, plata, etc.) dimensionado de forma que se funde, cuando la corriente que lo atraviesa pasa de cierto valor, en un tiempo que depende de su curva característica corriente-tiempo. El metal que constituye el elemento fusible debe soportar los ataques por los elementos atmosfériccs (p.ej no debe usarse cobre) y su conexión debe ser firme a fin de evitar daños por calentamiento debido a falsos contactos.
• una cubierta de protección que evita la proyección del metal fundido hacia el observador en el momento del salto.
Constructivamente, los fusibles son de tipos muy variados, tapones, cartuchos en sus diversas formas, etc.

Los interruptores automáticos térmicos y térmico-magnéticos, en cambio, son protecciones no destructivas, que provocan la apertura del circuito en forma automática, y permiten el resta-blecimiento con una simple operación de reenganche (reset) sin necesitar la sustitución de ningún elemento.

El principio de funcionamiento de los interruptores térmicos es muy sencillo y se basa en el uso de las láminas bimetálicas.

Es conocida la propiedad de todos los cuerpos de dilatarse al aumentar su temperatura; pero no todos dilatan igual, dependiendo su aumento dimensional del coeficiente de dila-tación del mismo. Si dos láminas de idénticas dimensiones de materiales de distinto coefi-ciente de dilatación se calientan juntas de forma de alcanzar la misma temperatura, una de ellas dilata más que la otra. Pero si se sueldan de forma que no pueda desplazarse una respecto a la otra formando una lámina bimetálica, las tensiones creadas por el calentamiento hacen que la misma se curve hacia el lado del metal que tiene menor coeficiente de dilatación (Fig.I-1).

Fig.I-2
Si la corriente se hace circular a través de una re-sistencia que calienta una lámina bimetálica que hace contacto en un punto fijo, mientras los valores de la misma sean los normales, el calor desprendido por la resistencia no es suficiente para curvar la lámina; pero cuando la misma aumenta, el calentamiento es mayor y la lámina se curva y abre el contacto interrumpiendo el circuito; si existe un sistema cualquiera que impida que la lá-mina vuelva a su posición de reposo cuando la resistencia no caliente más, se habrá construido un interruptor térmico elemental.

Los interruptores magnéticos se basan en la propiedad de los imanes de atraer el hierro y sus aleaciones. Por supuesto, no se usan imanes permanentes sino bobinas, que al ser recorridas por una corriente, se comportan como imanes, recibiendo la denominación de electroimanes.

El principio de funcionamiento de los interruptores magnéticos es hacer pasar la corriente que recorre el circuito que se desea proteger por una bobina en posición de atraer una lámina ferrosa que descansa sobre un contacto fijo. (Fig.I-3). Mientras la corriente Se mantiene dentro de tos valores normales, la fuerza de atracción no es suficiente para levantar la lámina, permaneciendo cerrado el contacto.

Pero en cuanto la misma sobrepasa los límites de diseño, la bobina separa la lámina del contacte sr, tlsrrvpc cs-ro, sbrisndo si circuito e iriísrrurnpisndc- B\ pasaje de la corriente. Si existe un sistema cualquiera que impida que la lámina retorne a la posición de reposo cuando la bobina deje de atraerla, se habrá construido un interruptor magnético elemental.

Los térmicos son adecuados para sobrecargas ya que el calentamiento es mayor cuanto mayor sea el valor de la corriente y el tiempo que la misma se mantenga, de forma que para sobrecargas moderadas la apertura se hace en un tiempo prolongado y en sobrecargas grandes en un tiempo corto. La curva corriente-tiempo de apertura responde en general a la forma en que se producen tos posibles daños en tos materiales de la instalación. Pero no son adecuados en cortocircuitos, en los que la corriente alcanza valores muy altos en un tiempo despreciable pues por grande que sea la corriente, el tiempo que tarda la resistencia en curvar la lámina hace que los daños se produzcan antes que el interruptor térmico abra; estos dispositivos no pueden usarse solos, sino en combinación con fusibles rápidos o con interruptores magnéticos.

En cambio, los magnéticos protegen bien contra cortocircuitos, pero no admiten sobrecargas; apenas la corriente sobrepasa el valor de diseño, abren el circuito en forma instantánea, no admitiendo pequeños aumentos incapaces de producir daños en un tiempo moderado. A fin de utilizarlos en sobrecargas, algunos interruptores especiales puramente magnéticos poseen un sistema de retardo (generalmente hidráulico) que impide el corte instantáneo, pero no son muy comunes.
Los interruptores térmico-magnéticos utilizan ambos principios combinados: la protección térmica regulada a la corriente nominal con un cierto porcentaje de sobrecarga admisible, y la protección magnética a varias veces la corriente nominal, de forma que en sobrecargas actúa la protección térmica y en cortocircuitos la protección magnética.

No existe ningún interruptor térmico o magnético construido en forma tan sencilla, aunque el principio de funcionamiento es el descripto; la construcción es bastante más compleja: poseen un sistema de accionamiento, hay un mecanismo que impide a las láminas volver a la posición de descanso sin realizar una operación de reenganche (reset), suelen admitir regulaciones, etc.

En la Fig.1-4 (tomada del catálogo Medex) se muestra el corte de un interruptor automático térmico magnético (o magnetotérmico) en su construcción real; la única diferencia con el principio de funcionamiento descripto es que e! sistema magnético no actúa sobre un contacto sino que desplaza mecánicamente una palanca provocando el disparo del interruptor, que debe reponerse con una simple maniobra de la misma.


INTERRUPTOR TÉRMICO MAGNÉTICO

El disparo térmico se efectúa a través de la lámina bimetálica (A) que se regula mediante un tornillo (C) de forma que el bimetal se calienta al paso de la corriente, curvándose; al alcanzar un valor determinado, actúa sobre el apoyo de la palanca (G) produciéndose el disparo del interruptor.

El disparo magnético se efectúa a través del núcleo (E) del electroimán, regulado por un resorte (F), de fórma tal que cuando la fuerza de atracción de la bobina (B) del electroimán es suficientemente grande, vence la resistencia del resorte actuando sobre el apoyo de la palanca (G) produciéndose el disparo.

La apertura del interruptor (D) y la extinción del arco eléctrico por el apagachispas (H) se realiza en un tiempo muy corto, del orden de los 20 miiisegundos.
Otro elemento de protección es el Interruptor o Disyuntor Diferencial, que tiene como fun- ción proteger tanto la instalación como a los individuos contra corrientes peligrosas de fuga por contactos directos e indirectos, que debe instalarse obligatoriamente en todos los Tableros Distribuidores (Generales) de los clientes

Un interruptor diferencial, está compuesto normalmente por los siguientes elementos:

• Un transformador toroidal
• Un relé electromecánico
• Un mecanismo de conexión y desconexión
• Un circuito auxiliar de prueba

Todos los conductores pasan por el núcleo del transformador; cuando la suma vectorial de las intensidades es distinta de cero (o sea que existen fugas), en el secundario se induce una tensión que provoca la excitación de un relé que abre el interruptor. La apertura se produce cuando la corriente de fuga supera la corriente de regulación. El valor mínimo de la corriente de defecto a partir del cual el interruptor diferencial debe abrir automáticamente en un tiempo conveniente, determina la sensibilidad del mismo.

El Interruptor Diferencial debe poseer una sensibilidad que provoque el corte de la energía en caso de defecto indirecto para evitar que el potencia! de las masas supere 24 V en lugares húmedos o 50 V en lugares secos. La corriente nominal depende del valor de la resistencia de la puesta a tierra; en instalaciones domiciliarias es obligatorio el uso de interruptores diferenciales con una sensibilidad de 30 mA.

La corriente de defecto está relacionada con la resistencia de la puesta a tierra, y debe limitarse de forma de no alcanzar las tensiones de seguridad indicadas; el interruptor diferencial debe tener una sensibilidad dada por las expresiones


En locales y emplazamientos secos

En locales y emplazamientos húmedos

donde R es la resistencia de la puesta a tierra e I la sensibilidad del diferencial.
Existen en el mercado interruptores diferenciales modulares que se anexan a los interruptores magnetotérmicos y combinados diferencial-magnetotérmicos formando un conjunto.

En el caso de instalaciones interiores de gran complejidad o extensión, es conveniente utilizar interruptores diferenciales de intensidad nominal decreciente en cascada que actúen selecti-vamente cortando solamente el tablero con defecto y manteniendo en funcionamiento el resto de la ínstalación.

APARATOS DE CONTROL

Finalmente, los aparatos de control realizan la lectura de los parámetros de funcionamiento de la instalación, y van desde una simple lámpara testigo hasta instrumentos más complejos de medida como voltímetros, amperímetros, fasímetros, medidores de consumo, etc.