Todas las instalaciones eléctricas tienen asociados ciertos riesgos para sus usuarios y los sistemas que alimentan, por lo que la normativa vigente en España (en baja tensión el Reglamento electrotécnico para baja tensión) requiere de la instalación de una serie de dispositivos que actúen en caso de que se produzca una situación peligrosa.
ÍNDICE DE CONTENIDOS
- Pasos previos
- Protecciones necesarias
- Protección frente sobrecargas
- Protección frente cortocircuitos
- Protección frente derivaciones
- Protección frente sobretensiones
- Caso práctico
PASOS PREVIOS
De manera previa a elegir los sistemas de protección de la instalación se han debido de calcular las secciones de todos los conductores, así como sus intensidades máximas admisibles y de cortocircuito, ya que son parámetros de los que dependen las protecciones.
El procedimiento de cálculo a seguir para su obtención se desarrollaron de manera detallada en esta publicación. Cabe aclarar que el diseño de la puesta a tierra se tratará en una futura entrada, a pesar de ser también un sistema de protección.
PROTECCIONES NECESARIAS
Primero se debe consultar la ITC-BT (instrucción técnica complementaria) del Reglamento electrotécnico para baja tensión (REBT) que regule la tipología de instalación que se está diseñando, en la cual se listan los elementos de protección a instalar y las características mínimas que deben cumplir.
Por ejemplo, las farolas y otros sistemas de iluminación al aire libre están reguladas por la ITC-BT-09 sobre instalaciones de alumbrado exterior, que en su apartado 4 enumera y describe todas las protecciones con las que hay que equiparlas.
PROTECCIÓN FRENTE SOBRECARGAS
Las sobrecargas se definen como aumentos sostenidos en el tiempo de la corriente eléctrica por encima de la intensidad máxima admisible de los circuitos, las cuales pueden provocar una acelerada degradación del aislante que los recubren.
Para proteger los circuitos de la instalación frente a este peligro se utilizan fusibles o interruptores magnetotérmicos (MCB), estos últimos también llamados interruptores de caja moldeada (MCCB) o bastidor abierto (ACB) a partir de los ~ 125 [A]. Estos componentes deben cumplir los criterios mínimos indicados en la ITC-BT-22 sobre protección contra sobreintensidades:
<<< Características a definir → nº de polos, intensidad nominal, tipo >>>
Número de polos ≡ número de conductores a proteger
| Tipo de sistema | Número de polos |
|---|---|
| Corriente continua | 2 | PP + PN |
| Monofásico | 2 | F + N |
| Trifásico | 4 | 3 x F + N |
| Aclaración – no será obligatorio proteger el neutro si su sección es igual a la de las fases. |
La intensidad nominal de la protección debe cumplir las siguientes dos condiciones:
Condición 1 → Intensidad de trabajo ≤ Intensidad nominal ≤ Intensidad máxima admisible
Condición 2 → Intensidad nominal ≤ (1,45 x Intensidad máxima admisible) / F
| Protección | Intensidad nominal | Parámetro F |
|---|---|
| Magnetotérmicos MCB (IEC 60898-1) | 1,45 |
| Interruptores ACB/MCCB (IEC 60947-2) | 1,30 |
| Fusibles | IN ≤ 4 A | 2,10 |
| Fusibles | 4 < IN < 16 A | 1,90 |
| Fusibles | IN ≥ 16 A | 1,60 |
| Calibres – 6 [A], 10 [A], 16 [A], 20 [A], 25 [A], 32/35 [A], 40 [A], 50 [A], 63 [A], 80 [A], 100 [A], 125 [A], 160 [A], 200 [A], 250 [A], 320 [A], 400 [A], 500 [A], 630 [A], 800 [A], 1000 [A], 1250 [A], 1600 [A], … , 6300 [A]. |
| Nota: los interruptores de carril DIN, denominados MCB, alcanzan hasta los 125 [A]. Los interruptores industriales (ACB, MCCB) pueden llegar a los 6300 [A], pero no tienen curvas de disparo estandarizadas. |
Las protecciones frente sobre cargas se clasifican en función del tipo de dispositivo que sean, magnetotérmicos o fusibles, y del elemento o sistema que estén destinadas a proteger (curva de disparo o tipo):
| Tipo de curva del magnetotérmico (MCB) | Elemento o sistema a proteger (aplicable hasta 125 [A]) |
|---|---|
| A | Semiconductores (sin aplicación en electricidad) |
| B | Generadores, personas y grandes longitudes de cables |
| C | Uso general y doméstico (receptores clásicos) |
| D | Motores y transformadores (máquinas con fuertes puntas arranques) |
| MA | Arranque de motores (solo protege frente cortocircuitos) |
| Z | Circuitos electrónicos |
| Tipo de fusible | Elemento o sistema a proteger |
|---|---|
| gR | Semiconductores (sin aplicación en electricidad) |
| gB | Grandes longitudes de cables (minas) |
| gG / gL | Uso general y doméstico (receptores clásicos) |
| gM | Motores eléctricos |
| gTr | Transformadores |
| gC | Específico para condensadores |
Cabe aclarar que los fusibles, aún siendo una opción mucho más barata, solo se suelen instalar para una protección más general o cuando es poco probable que se requiera su actuación, ya que, a diferencia de los interruptores, no se puede regular su modo de operación y hay que cambiarlos cada vez que se produce una sobrecarga o cortocircuito.
| Protección | Ejemplos de aplicaciones |
|---|---|
| Fusibles | Caja general de protección, CPM del contador, ramas de módulos solares, … |
| Interruptores | CGM&P de un local, salida de un generador, protección de un vatímetro, … |
PROTECCIÓN FRENTE CORTOCIRCUITOS
Los cortocircuitos se producen cuando dos conductores a diferente tensión (e.g. neutro y una fase), contactan directamente sin ninguna carga entre ellos, provocando un pico de corriente muy elevado debido a la baja resistencia entre ambos puntos, que puede fundir los cables fácilmente.
Frente a este peligro también se instalan fusibles o interruptores. Estos dispositivos suelen proteger frente a ambas incidencias, es decir, no se instalan dos dispositivos en un mismo circuito para resguardarlo frente cortocircuitos y sobrecargas, sino solo uno con ambas funciones.
Los criterios a cumplir se listan igualmente en la ITC-BT-22 sobre protección contra sobreintensidades que se indicó en el apartado anterior. Es preciso señalar que la selección de este componente se suele realizar al comprobar el criterio de cortocircuito, que es una de las tres comprobaciones a llevar a cabo para calcular la sección de un conductor:
<<< Características a definir → nº de polos, intensidad nominal, tiempo de respuesta, tipo, poder de corte >>>
Número de polos ≡ número de conductores a proteger
| Tipo de sistema | Número de polos |
|---|---|
| Corriente continua | 2 | PP + PN |
| Monofásico | 2 | F + N |
| Trifásico | 4 | 3 x F + N |
| Aclaración – no será obligatorio proteger el neutro si su sección es igual a la de las fases. |
Intensidad nominal: definida anteriormente al calcular la protección frente sobrecargas, ya que normalmente esta también protege al circuito frente a cortocircuitos, es decir, realiza ambas funciones.
| Calibres – 6 [A], 10 [A], 16 [A], 20 [A], 25 [A], 32/35 [A], 40 [A], 50 [A], 63 [A], 80 [A], 100 [A], 125 [A], 160 [A], 200 [A], 250 [A], 320 [A], 400 [A], 500 [A], 630 [A], 800 [A], 1000 [A], 1250 [A], 1600 [A], … , 6300 [A]. |
El tiempo de respuesta debe cumplir este límite → tA ≤ tMAX = ((k x S) / ICC)2 ≡ [s]
tA ≡ Tiempo de respuesta de la protección ≡ f(curva de disparo de la protección) ≡ [s]
tMAX ≡ Duración máxima en cortocircuito que soporta el conductor ≡ [s]
| Parámetros para el cálculo del tiempo máximo de actuación |
|---|
| tA ≡ Tiempo de disparo = f(curva de disparo de la protección) |
| tMAX ≡ Duración máxima del cortocircuito que soporta el conductor ≡ [s] |
| k ≡ Parámetro que depende del conductor y aislamiento únicamente ≡ [(A x √s) / mm2] Si es PVC sobre cobre o aluminio k es igual 115 o 76 respectivamente (S ≤ 300 [mm2]). Si es XPLE sobre cobre o aluminio k es igual 143 o 94 respectivamente (S ≤ 300 [mm2]). |
| S ≡ Sección del conductor ≡ [mm2] |
| ICC ≡ Intensidad que puede darse en caso de cortocircuito ≡ [A] ICC ≈ (0,8 x VF-N) / Resistencia total del tramo protegido = 184 / R ≡ [A] R ≈ Resistividad del conductor (20 [ºC]) x Longitud total hasta la alimentación / S ≡ [Ω] |
| Aclaración – normalmente tMAX ya se ha calculado al determinar la sección del cable. |
Tipo: definido anteriormente al calcular la protección frente sobrecargas, ya que normalmente esta también protege al circuito frente a cortocircuitos, es decir, realiza ambas funciones. Los interruptores industriales (MCCB/ACB) suelen tener un tiempo de actuación instantánea regulable, que puede ajustarse a∼ 5-10 veces la intensidad nominal. Los fusibles G/L tardan hasta 0,1 [s] frente una intensidad 10 veces la nominal.
| Tipo de curva del magnetotérmico (MCB) | Intensidad de cortocircuito para la cual la protección actúa en < 0,01 [s] |
|---|---|
| A | De 2 a 3 veces la intensidad nominal |
| B | De 3 a 5 veces la intensidad nominal |
| C | De 5 a 10 veces la intensidad nominal |
| D | De 10 a 20 veces la intensidad nominal |
| MA | De 12 a 14 veces la intensidad nominal |
| Z | De 2,4 a 3,6 veces la intensidad nominal |
Poder de corte: es la intensidad máxima que puede interrumpir el dispositivo, debe ser mayor o igual a la intensidad de cortocircuito que se haya calculado para el circuito; se suele expresar en [kA].
| Valores más comunes – 3 [kA], 4,5 [kA], 6 [kA], 10 [kA], 15 [kA], 18 [kA], 20 [kA], 25 [kA], 35 [kA], 36 [kA], 50 [kA], 55 [kA], 70 [kA], 100 [kA], 150 [kA]. |
Cabe destacar que en el caso particular de los sistemas fotovoltaicos, en el lado de corriente continua, las series de paneles solo están obligadas a disponer de fusibles frente a cortocircuitos y sobrecargas si se cumple la siguiente condición (Norma IEC 62548:2016):
(N – 1) · ICC > Maximum Series Fuse Rating
| Parámetro | Descripción |
|---|---|
| N | Máximo número de ramas asociados a un mismo MPPT |
| ICC | Intensidad de cortocircuito del módulo en condiciones STC |
| Maximum Series Fuse Rating | Calibre máximo del fusible de las series (normalmente de 15 a 20 [A])* |
PROTECCIÓN FRENTE DERIVACIONES
Las derivaciones eléctricas habitualmente se producen cuando se degrada el aislamiento de un conductor y este hace contacto con algún elemento externo conductor, también pueden producirse por un enlace interno en máquinas y electrodomésticos. Esto supone un riesgo para los usuarios que contacten con estos elementos.
Para evitar el riesgo para las personas por contactos directos o indirectos se utilizan interruptores diferenciales, los cuales, cortan la corriente si detectan una disparidad entre la intensidad de las fases y el neutro superior a la sensibilidad del interruptor. La detección solo se realiza aguas abajo del diferencial, el tramo anterior no está protegido frente a derivaciones.
La elección del interruptor diferencial va a depender principalmente de la intensidad nominal del circuito y del tipo de instalación o local donde objeto de estudio, que va a determinar la sensibilidad requerida:
<<< Características a definir → nº de polos, intensidad nominal, sensibilidad, clase >>>
Número de polos ≡ número de conductores a proteger
| Tipo de sistema | Número de polos |
|---|---|
| Monofásico | 2 | F + N |
| Trifásico | 4 | 3 x F + N |
Intensidad nominal: deberá ser mayor o igual a la intensidad de trabajo del circuito protegido.
| Calibres – 25 [A], 40 [A], 63 [A], 80 [A], 100 [A], 125 [A], 160 [A]. |
| Nota: es habitual que para intensidades por encima de de los 160 [A] se use un relé diferencial que mida indirectamente mediante un toroidal las derivaciones del circuito y a parte un interruptor conmutable que es accionado por el relé cuando hay una derivación por encima del valor límite programado. Este interruptor a veces es el propio interruptor general si dispone de los accesorios o prestaciones necesarias para ser accionado externamente. |
La sensibilidad del interruptor diferencial dependerá del ámbito donde se halle el circuito:
| Ámbito de la instalación | Sensibilidad mínima requerida |
|---|---|
| Ambientes húmedos | 10 [mA] |
| Viviendas y pública concurrencia | 30 [mA] |
| Industrias en general y PCI | 300 [mA] |
La clase del diferencial determina el tipo de fugas que la protección es capaz de detectar, la normativa exige que sean al menos tipo A para instalaciones generadoras y para cargadores de vehículos eléctricos, entre otras.
| Clase | Usos y aplicaciones |
|---|---|
| AC | Uso general |
| A / Asi | Uso general, detectan corrientes de fuga provocadas por semiconductores |
| B / F | Motores con variador, arrancadores, cargadores EV, … |
Algunos aparatos, como ordenadores y variadores de frecuencia, pueden alterar la corriente eléctrica y hacer actuar al diferencial aunque no haya derivación alguna. En estos casos es necesario instalar un interruptor superinmunizado, es decir, clase Asi / F / B, los cuales además detectan muchos tipos de fuga que los interruptores de tipo AC no son capaces de detectar.
Cabe destacar que este dispositivo actúa de manera conjunta con la puesta a tierra, que también protege a los usuarios frente a contactos indirectos, derivando las corrientes producidas por masas metálicas activas (e.g. carcasas) a tierra en vez de a través de las personas en contacto.
PROTECCIÓN FRENTE SOBRETENSIONES
Las sobretensiones pueden ser transitorias, de muy corta duración y causadas normalmente por fenómenos atmosféricos (rayos), o permanentes, derivadas de anomalías en el suministro eléctrico del emplazamiento por mantenimiento o maniobras.
Frente a las de tipo transitorio se instalan descargadores, estos dispositivos se conectan entre la tierra y los conductores activos a proteger (polos o fases) para derivar la sobretensión a tierra cuando la tensión sobrepasa el límite nominal de la protección. Tienen un número limitado de usos, al superarlo hay que realizar el mantenimiento o sustitución de la protección.
Las permanentes se evitan mediante protectores o relés de sobretensión, los cuales comparan la tensión del conductor con una referencia para conocer su valor, interrumpiendo el circuito si se sobrepasa la tensión máxima establecida. Al igual que los interruptores son rearmables y no requieren apenas de mantenimiento.
<<< Características a definir → nº de polos, intensidad nominal, tensión nominal >>>
Número de polos ≡ número de conductores activos a proteger
Intensidad nominal: en el caso de los protectores de sobretensión deberá ser mayor o igual a la intensidad de trabajo del circuito protegido. Los varistores no tienen una intensidad nominal definida como tal, sino una intensidad límite para la cual el dispositivo es capaz de actuar un número determinado de veces antes de requerir ser cambiado, a menudo se da esta corriente para 1 y 20 usos.
Tensión nominal: es un parámetro importante para los relés y protectores frente sobretensiones permanentes, deberá ser superior a la tensión de trabajo, normalmente entorno un 10%, si bien este margen dependerá de la tolerancia o resistencia a las sobretensiones de los dispositivos que se estén protegiendo.
Por último, indicar que actualmente, muchos generadores y máquinas ya integran esta protección en sus sistemas (e.g. inversor fotovoltaico Huawei SUN2000-100KTL). Su instalación es fundamental sobre todo cuando el fabricante lo recomiende en sus manuales y fichas técnicas, a parte de por supuesto en todas las instalaciones que por normativa lo requieran.
CASO PRÁCTICO
Se desean calcular las protecciones de corriente alterna de una instalación de autoconsumo fotovoltaico trifásica que alimenta una fábrica. La intensidad nominal del circuito es de 22 [A], habiéndose determinado previamente que los conductores tienen una intensidad máxima admisible de 28 [A] y que la corriente de cortocircuito es de 1082 [A], cuya duración máxima permitida es de 0,63 [s].
PASO 1 – Determinar las protecciones requeridas según la ITC-BT aplicable.
La norma aplicable es la ITC-BT-40 del REBT sobre instalaciones generadoras de baja tensión, que en su apartado número 7 indica que se deben instalar las siguientes protecciones:
PASO 2 – Seleccionar las protecciones frente sobrecargas.
Número de polos ≡ número de conductores a proteger → sistema trifásico → 4 polos
Intensidad de trabajo (22 [A]) ≤ Intensidad nominal ≤ Intensidad máxima admisible (28 [A])
Intensidad nominal ≤ (1,45 x Intensidad máxima admisible) / F = 1,45 x 28 / 1,45 = 28 [A]
Intensidad nominal = 25 [A]
Uso general (se están alimentando todo tipo de cargas) → Curva C
Elección → Magnetotérmico tipo C de 4 P x 25 [A]
PASO 3 – Seleccionar las protecciones frente cortocircuitos.
La intensidad de cortocircuito es 43,28 veces superior a la nominal (1082 / 25), por lo tanto, dado que el interruptor es de tipo C, su tiempo de actuación será de 0,1 [s], menor que la duración máxima permitida de 0,63 [s], por lo que la protección elegida frente sobrecargas también vale para proteger al circuito de cortocircuitos.
| Tipo de curva del magnetotérmico | Intensidad de cortocircuito para la cual la protección actúa en 0,1 [s] |
|---|---|
| C | De 5 a 10 veces la intensidad nominal |
PASO 4 – Seleccionar las protecciones frente derivaciones.
Su intensidad nominal deberá ser superior a la de trabajo (23 [A]) y su número de polos 4 al ser un sistema trifásico. En esto caso al ser una industria la sensibilidad requerida será de 300 [mA] y la clase elegida será la AC de uso general, si bien dependiendo de las cargas existentes en el emplazamiento podría ser conveniente elegir alguna de las clases superinmunizadas:
Elección → Diferencial clase AC de 4 P x 25 [A]
<<< Corrección 26/2/2023: la ITC-BT-40 en su punto 4.3 exige la instalación de interruptores diferenciales tipo A, no obstante, es interpretable que si el punto de conexión se realiza aguas abajo del interruptor diferencial del suministro y este es tipo A, no es necesario que el de la planta de autoconsumo también lo sea. >>>
PASO 5 – Seleccionar las protecciones frente sobretensiones.
Frente a sobretensiones transitorias se supondrá que el propio cuadro del emplazamiento ya dispone de los dispositivos necesarios, sin embargo, en el circuito de corriente continua (ramas de paneles) si que sería necesario instalar un varistor.
Por otro lado, la mayoría de inversores de corriente vienen equipados de fábrica con un sistema de protección frente a sobretensiones permanentes, por lo que no será preciso instalar un protector de sobretensión, si bien puede que se requiera regular el rango admisible del generador acorde a la aplicación y requisitos del suministro.
PASO 6 – Otros sistemas de seguridad requeridos.
La ITC-BT-40 también exige sistemas de seguridad frente tensiones excesivamente bajas y desviaciones de la frecuencia, no obstante, estas protecciones también están incluidas en el propio inversor.
gracias por la información, muy útil.