Quien desde hace tiempo trabaja en un determinado ambiente adopta un lenguaje propio que no siempre es fácil de entender por personas ajenas a este entorno.
Esto pasa a menudo también a quien trabaja en industrias que proyectan y fabrican interruptores automáticos. A menudo nos dirigimos a los interlocutores, nuestros clientes, con una terminología que hemos aprendido durante años sin preguntarnos si la misma es clara para ellos.
Este breve artículo propone ilustrar los interruptores automáticos.
EL INTERRUPTOR AUTOMÁTICO Y LAS SOBRECORRIENTES
La función principal de los interruptores automáticos es detectar la presencia de sobrecorrientes así como eliminarlas antes de que estas puedan provocar daños irreversibles a la instalación y/o personas. Por sobrecorriente se entiende cualquier corriente de valor superior a la soportada por los cables distribuidos en la instalación.
Existen dos tipos de sobrecorrientes: sobrecarga y cortocircuito.
LA SOBRECARGA
La sobrecarga ocurre cuando la potencia absorbida es superior a la prevista. Entonces la corriente supera a la soportada por los cables, y por tanto, es necesario intervenir. De todos modos se trata de corrientes que no superan de más de 10 veces las portadas por los cables. El fenómeno es lento y las protecciones pueden no ser instantáneas. Se puede deducir, entonces, que la sobrecarga puede ocurrir también en ausencia de un verdadero fallo en la instalación.
La sobrecarga es un fenómeno “diabático”. Es decir con intercambio de calor hacia el exterior. El diagrama de abajo muestra, para valores de corrientes crecientes, el comportamiento de la temperatura en el cable a lo largo del tiempo.
Se puede observar que el comportamiento de la temperatura es el mismo, tanto con corrientes normales como en presencia de corrientes de sobrecarga. De hecho, la potencia que calienta el cable es constante y proporcional al cuadrado de la corriente, de manera que a medida que la diferencia de temperatura entre cable y ambiente aumenta, esta potencia se va cediendo al ambiente. Así, la temperatura va aumentando cada vez menos hasta llegar a la temperatura de régimen a la cual toda la potencia se cede al ambiente y la temperatura del cable permanece constante.
La figura de arriba muestra otra vez el mismo diagrama (lado superior izquierdo) en el cual se observa una recta horizontal que representa la temperatura máxima soportada por el cable. A partir de este diagrama es posible dibujar debajo una curva tiempo-corriente que una, para cada valor de corriente, el correspondiente tiempo en el cual se alcanza la temperatura máxima aceptable.
Para facilitar la lectura, si se gira la curva que hemos obtenido, se obtiene la curva de limitación de la corriente en función del tiempo para un determinado cable. Se puede notar que para tiempos reducidos el cable puede soportar corrientes superiores a su capacidad en régimen permanente.
EL CORTOCIRCUITO
El cortocircuito es un fenómeno totalmente repentino para el cable. Por tanto podemos no tener en cuenta la energía que el cable puede disipar y considerarlo como un fenómeno totalmente “adiabático” (sin intercambio de calor hacia el exterior).
Por esta razón podemos considerar el cable protegido contra el cortocircuito solo si la energía especifica pasante del interruptor es inferior a la soportada por el cable ( la famosa k2s2 ).
INTERRUPTORES AUTOMÁTICOS CON RELE TERMOMAGNETICO
Los interruptores termomagnéticos son buenos dispositivos de protección contra sobrecargas. La protección se garantiza a través de un bimetal. Se trata de una lámina metálica compuesta por dos metales con diferentes coeficientes de dilatación térmica lineales pegados a sandwich. La corriente de línea pasa por un bimetal que se calienta. A medida que se va calentando la lámina, esta se va alargando (el lado del metal con coeficiente de dilatación superior se alarga más), hasta que finalmente como resultado, la lámina se acaba doblando. De este modo acciona el mecanismo de levas que provoca la apertura del interruptor automático.
La protección que ofrece el bimetal al cable es muy buena en cuanto este tiene un comportamiento muy similar al del cable. Es muy diferente si la sobrecarga ocurre cuando el cable está trabajando con una corriente próxima a la suya (ya estaba caliente) o si la sobrecarga ocurre a cable frío. Está claro que en este segundo caso el cable puede soportar la sobrecarga por un tiempo mayor ya que el bimetal también tardará más tiempo en calentarse y deformarse ya que parte de frío.
Este diagrama representa la evolución de la temperatura de un cable que, en el instante cero, ya estaba caliente por efecto de la corriente de empleo y que, por efecto de la sobre corriente, se sobrecalienta.
Los valores de corrientes significativos para la protección son:
- Ib = corriente para la cual el circuito ha sido dimensionado
- In = corriente regulada del interruptor
- Iz = capacidad del cable en régimen permanente
- If = corriente que garantiza el funcionamiento efectivo del dispositivo de protección
La norma IEC60364-4-43 “Electrical installation of buildings” – Protection against overcurrent” especifica que se cumplan las dos siguientes condiciones:
1) Ib < In < Iz
2) If < 1,45 Iz
La norma permite la circulación de una corriente de sobrecarga que puede ser de hasta un 45% superior a la capacidad del cable, pero solo por un tiempo determinado (tiempo de actuación convencional de la protección). En caso de interruptores automáticos no hace falta que se compruebe la condición 2), ya que el dispositivo de protección actúa automáticamente si: If = 1,3In para interruptores automáticos conformes a la norma IEC947-2 (interruptores automáticos para uso industrial) If = 1,45In para interruptores automáticos conformes a la norma IEC898 (interruptores automáticos para uso domestico o similar)
En consecuencia, si para los interruptores automáticos resulta In < Iz, con toda seguridad se cumplirá también la condición 2) If < 1,45 Iz. La elección correcta del interruptor automático se hará de modo que se cumpla la condición 1).
La parte magnética de los interruptores automáticos termo-magnéticos está dirigida a la protección de los cortocircuitos. La corriente pasa por un solenoide que produce un campo electromagnético que empuja una parte móvil cuyo movimiento está unido a un resorte que determina el umbral de disparo instantáneo. Un percutor conectado a la parte móvil se mueve inmediatamente y aleja el contacto principal móvil del fijo creando así un pequeño arco cuya impedancia empieza de inmediato a limitar la corriente. Al mismo tiempo, la otra extremidad de la parte móvil, a través de una cadena cinemática, abre completamente el mecanismo del interruptor, llevando la parte móvil a su posición de abierto. Esto todavía no es suficiente para extinguir la corriente, pero gracias a propiedades electrodinámicas de la geometría del equipo y gracias a la onda de presión generada por el aumento de la temperatura, el arco eléctrico se alarga y se empuja a la cámara de arco donde finalmente se fragmenta y se apaga.
Toda esta secuencia en la realidad se realiza en tan solo algunos milisegundos. Los interruptores modulares por ejemplo son generalmente muy rápidos y por tanto fuertemente limitadores. Es decir, interrumpen la corriente en un tiempo muy inferior al semiperiodo.
INTERRUPTORES AUTOMÁTICOS CON RELE ELECTRÓNICO
Los interruptores automáticos equipados con relés electrónicos tienen un principio de funcionamiento muy diferente.
Existe una zona de medida que lee la corriente de línea sobre cada fase a través de transformadores de medida. Calcula el valor eficaz de la corriente y lo compara con los umbrales regulados. En el caso de superar algún umbral, el relé empieza a temporizar, y si la situación permanece, el interruptor acaba disparando.
Normalmente el circuito electrónico se alimenta directamente por los mismos transformadores de corriente utilizados para la medida. Así tenemos la seguridad que en caso de sobre corrientes la electrónica está correctamente alimentada.
Los interruptores equipados con relé electrónico disponen de diferentes protecciones como indica la norma ANSI C 37.2
Esta norma define diferentes formas de protección y las codifica. En la figura de arriba se pueden observar las que se emplean normalmente en los interruptores de caja moldeada y de bastidor abierto que ABB SACE denomina respectivamente como L, S, I y G.
Los relés electrónicos de última generación ofrecen otras funciones que pueden ser muy útiles tales como la medida de tensión, corriente, frecuencia, armónicos, etc.
En esta figura se representan las funciones de protección LSIG en un plano tiempo-corriente. Los relés electrónicos permiten una regulación muy precisa de algunos parámetros que determinan el desplazamiento de estas curvas en el plano tiempo-corriente, permitiendo así ajustar la curva para una mejor protección de los cables y de las cargas, y al mismo tiempo, garantizar la selectividad con otros interruptores presentes en la instalación.
Existen muchos tipos de relés con diferentes formas de regulación. Desde los más sencillos, donde la regulación se realiza a través de dip switch, hasta los más sofisticados donde la regulación se realiza desde un ordenador.
El relé electrónico para interruptores en caja moldeada de ABB SACE puede regularse de dos formas distintas:
una local/manual a través del dip-switch
una remota / electrónica mediante un equipo electrónico de programación (PR010/T)
En el primer caso la programación es limitada por el número máximo de combinaciones de los dip-switch. En el segundo caso se llega a tener una regulación muy fina de los parámetros, es decir, un ajuste muy preciso de las curvas de intervención.
En el caso de los interruptores en caja moldeada de nueva generación Tmax, la regulación manual a través de los dip-switches permite el ajuste de la curva con pasos del 2% de la In, mientras la regulación electrónica permite el ajuste con pasos del 1% de la In.
A través del software DOCWin, realizado por ABB, se puede visualizar la curva de intervención del interruptor y apreciar así el desplazamiento de la misma tras una nueva regulación. Además el software permite sobreponer las curvas de diferentes interruptores para efectuar estudios de selectividad.
NORMATIVA
En el panorama normativo se encuentran normas dirigidas a los interruptores automáticos, tanto en el subcomité 17B como en el 23E.
El subcomité 17B se ocupa de equipos de Baja Tensión para uso industrial, mientras que el 23E se ocupa de equipos destinados al uso en el sector doméstico o similar.
Es difícil decir cual de los dos documentos es más severo. El industrial tiene en consideración aplicaciones peligrosas, mientras que el doméstico o similar, exige mayor seguridad ( ya que tiene en cuenta la intervención de personal no especializado ).
Los interruptores modulares, en general, están de acuerdo a la norma EN60898-1 (del SC 23E) y no son regulables. Los interruptores conformes a esta norma pueden tener corrientes nominales hasta 125 A y poderes de corte hasta 25 kA. Está claro que no se piensa solo en instalaciones domésticas, sino también en sub-cuadros de distribución de instalaciones comerciales.
Los interruptores abiertos y de caja moldeada están conformes a la norma EN60947-2 (del SC 17B), tienen corrientes nominales y poderes de corte muy superiores, así como relés regulables.
El poder de corte representa las prestaciones del interruptor. Es decir, la corriente máxima de corticuito que el interruptor es capaz de interrumpir.
Evidentemente cuando el interruptor ha de interrumpir corrientes muy elevadas cercanas a sus prestaciones límite, se puede desgastar notablemente, hasta tal punto que haya de ser sustituído.
Por este motivo la norma prevé dos modalidades de pruebas para garantizar un determinado poder de corte:
Prueba de poder de corte último
Prueba de poder de corte de servicio
El primer criterio no requiere condiciones residuales. Es decir, después de haber superado con éxito la secuencia de pruebas prevista, el interruptor puede incluso no funcionar aún. El segundo en cambio, el de servicio, no sólo es más exigente por el número de repeticiones, sino que sobretodo considera las pruebas a realizar después de la secuencia de cortocircuito para verificar que el interruptor aún funcione.
Ambas normas consideran los dos criterios, pero mientras que la de uso industrial ( EN 60947-2 ) permite al fabricante la elección de la relación entre ambos valores, la de uso doméstico ( EN 60898 ), lo fija a priori en función del poder de corte.
Los interruptores EN 60898 con poder de corte hasta 6 kA tienen una relación igual a 1. Es decir, han de ser siempre capaces de funcionar aún después de repetidas faltas.
Otra prueba importante a la que deben ser sometidos los interruptores es la relativa al poder de cierre.
De hecho es una prueba muy crítica para el interruptor la situación en la que debe de cerrar la corriente de cortocircuito. Tanto más bajo sea el cosF (desfase entre V y I), tanto mayor será el pico que la corriente de pico alcance durante la primera semionda.
Cuanto más bajo sea el cosF, más cercano se encontrará el interruptor de un gran transformador o en general de una fuente de alimentación. La norma ha fijado valores de cosF decrecientes al crecer la corriente.
En caso de que el verdadero cosF sea inferior al que prevé la norma, no será suficiente verificar que el poder de corte sea el adecuado, sinó que también será necesario verificar el poder de cierre.
Ejemplo:
Supongamos el caso de tener que instalar un interruptor en un punto donde la corriente de cortocircuito es 60 kA con un cosF = 0,15 mientras la norma prevé un cosF = 0,2:
Matemáticamente se puede demostrar que la relación entre el pico y el valor eficaz de la componente simétrica es 2,2 con un cosF = 0,2 y de 2,3 con un cosF= 0,15.
En este caso el verdadero pico será 60 x 2,3 = 138 kA, entonces elegiremos un interruptor con este poder de cierre. Pero el poder de corte deberá ser mayor de 60 kA (porque la prueba sobre el interruptor ha sido realizada a cosF = 0,2 con relación 2,2 ). El interruptor deberá tener entonces un poder de corte = 138 / 2,2 = 63 kA.
Esperamos con eso haber satisfecho su interés sobre las características principales de los interruptores automáticos.
Otro tema relacionado a los interruptores automáticos es el de la coordinación entre ellos, tema que valdrá la pena tratar ampliamente en una próxima oportunidad.