En esta publicación se explicará que es y como elegir un relé diferencial, dispositivo destinado a la protección de instalaciones eléctricas industriales frente a corrientes residuales, así como sus accesorios. Se exponen esquemas eléctricos sobre su montaje y se lleva a cabo la resolución de un caso práctico al final de la entrada.
ÍNDICE DE CONTENIDOS
- ¿Qué es un relé diferencial?
- Selección del dispositivo
- Cálculo del transformador
- Requisitos del interruptor
- Caso práctico
¿QUÉ ES UN RELÉ DIFERENCIAL?
En instalaciones eléctricas, para la protección frente a derivaciones, hasta los 125 [A] (∼ 86,50 [kWn] a 400 [V]) se utilizan interruptores diferenciales, los cuales cortan el circuito al detectar una fuga medida en [mA] superior a su sensibilidad, que suele ser fija de 10, 30 o 300 [mA].
La intensidad nominal del dispositivo debe ser mayor o igual a la de trabajo del circuito y a la del interruptor automático que lo acompañe, si bien existen protecciones combinadas que actúan tanto frente sobreintensidades como derivaciones.
Cuando se sobrepasan dichos valores de amperaje (∼ 125 [A]), se usan relés diferenciales, que son dispositivos de control programables que evalúan de manera indirecta (a través de un toroidal) las derivaciones. Si la fuga medida supera la sensibilidad programada (∼ de 30 a 3000 [mA]), el relé provoca la activación del interruptor automático instalado en el circuito, el cual debe tener la opción de ser accionado de este modo.
La utilización de relés diferenciales en vez de interruptores diferenciales tiene como fin reducir los costes de la instalación eléctrica, así como permitir una mayor flexibilidad y control a la hora de programar la protección frente corrientes residuales.
SELECCIÓN DEL DISPOSITIVO
El relé diferencial normalmente no tiene requisitos específicos, ya que no son dispositivos dependientes de la intensidad del circuito, tienen un rango ajustable muy amplio y suelen ser al menos tipo A; motivos por los cuales un mismo modelo es válido para un amplio rango de potencias y aplicaciones. Algunos de los fabricantes más destacables son Schneider, Siemens y Circutor, cuyos dispositivos son muy comercializados en España.
Los tipos de relés ordenados de menor a mayor eficacia frente corrientes residuales se listan a continuación, cuanto mejor es la eficacia menor es la probabilidad de que haya falsos positivos (i.e que la protección actúe cuando no debería) o de que la protección no detecte la fuga:
- Tipo AC: detecta corriente residual alterna.
- Tipo A: detecta corriente residual alterna y corriente continua pulsante. Es el mínimo requerido en instalaciones de autoconsumo, quirófanos, salas de intervención y estaciones de recarga de vehículo eléctrico.
- Tipo F: detecta corriente residual alterna de hasta 1 [kHz] y corriente continua pulsante. Los relés superinmunizados Asi se consideran equivalentes a este tipo.
- Tipo B: detecta corriente residual alterna de hasta 1 [kHz], corriente continua pulsante y pura continua. Algunos fabricantes de cargadores de vehículo eléctrico modo 4 (corriente continua) exigen la instalación de esta protección en sus manuales.
En el caso particular de que haya que proteger varios circuitos, será necesario recurrir a un relé diferencial capaz de controlar varios pares de transformadores e interruptores. Esta variante a veces se denomina central de relé diferencial y es una opción más económica que montar varios relés independientes.
Aunque no se haya representado en el anterior esquema, los relés habitualmente requieren de una alimentación auxiliar en corriente alterna monofásica de 230 [V], esta línea de alimentación debe estar protegida por un interruptor o par de fusibles, que suelen ser de 10 o 16 [A] de intensidad nominal, dependiendo del consumo máximo del dispositivo. Esta alimentación debe empezar aguas arriba del interruptor al que se asocie el relé.
CÁLCULO DEL TRANSFORMADOR
El transformador elegido debe cumplir cuatro condiciones: ser compatible con el relé seleccionado, soportar la intensidad de trabajo del circuito, disponer de dimensiones adecuadas para contener todos los cables que lo conformen (excepto el de protección) y tener una sensibilidad mínima adecuada.
La intensidad mínima se calcula en función de la potencia nominal y de la tensión de funcionamiento del sistema. Por otro lado, la sección requerida se determina en base al diámetro de los cables que conforman el circuito protegido y su número. Para ambos parámetros se deben considerar factores de seguridad:
IMIN = (k1 · PN) / (VN · k0) ≡ [A]
SMIN = k2 · ∑ (π · di2) / 4 = k2 · ∑ Si ≡ [mm2]
| Parámetros de cálculo |
|---|
| IN ≡ Intensidad nominal mínima del toroidal ≡ [A] |
| k1 ≡ Coeficiente de seguridad ≥ 1,25 [-] |
| PN ≡ Potencia de trabajo del circuito ≡ [W] |
| VN ≡ Tensión nominal del sistema ≡ [V] Nota: en sistemas monofásicos suele tomar un valor de 230 [V] y en los trifásicos de 400 [V]. |
| k0 ≡ Factor corrector según el tipo de sistema ≡ [-] Nota: en sistemas monofásicos su valor es 1,00 y en los sistemas trifásicos es de √3. |
| SMIN ≡ Sección útil o libre mínima del toroidal ≡ [mm2] |
| k2 ≡ Coeficiente de relleno u holgura ≥ 2,50 [-] |
| di ≡ Diámetro exterior del cable i ≡ [mm] i ≡ Cables que conforman el circuito considerado ≡ 1, 2, 3, … , n Nota: no se contabiliza el cable de protección, solo las fases y el neutro. |
| Tipo de cable* | S = (π · d2) / 4 |
|---|---|
| Cable UTP CAT 6 (4 pares) | 30,00 [mm2] |
| Cable unipolar RZ1-K – 1 x 4 [mm2] | 24,63 [mm2] |
| Cable unipolar RZ1-K – 1 x 6 [mm2] | 40,72 [mm2] |
| Cable unipolar RZ1-K – 1 x 10 [mm2] | 52,17 [mm2] |
| Cable unipolar RZ1-K – 1 x 16 [mm2] | 65,76 [mm2] |
| Cable unipolar RZ1-K – 1 x 25 [mm2] | 91,61 [mm2] |
| Cable unipolar RZ1-K – 1 x 35 [mm2] | 111,22 [mm2] |
| Cable unipolar RZ1-K – 1 x 50 [mm2] | 143,14 [mm2] |
| Cable unipolar RZ1-K – 1 x 70 [mm2] | 191,13 [mm2] |
| Cable unipolar RZ1-K – 1 x 95 [mm2] | 237,79 [mm2] |
| Cable unipolar RZ1-K – 1 x 120 [mm2] | 295,59 [mm2] |
| Cable unipolar RZ1-K – 1 x 150 [mm2] | 359,68 [mm2] |
| Cable unipolar RZ1-K – 1 x 185 [mm2] | 426,38 [mm2] |
| Cable unipolar RZ1-K – 1 x 240 [mm2] | 555,72 [mm2] |
| Cable unipolar RZ1-K – 1 x 300[mm2] | 716,31 [mm2] |
| Manguera RZ1-K – 2 x 4 [mm2] – [F+N] | 88,25 [mm2] |
| Manguera RZ1-K – 2 x 6 [mm2] – [F+N] | 105,68 [mm2] |
| Manguera RZ1-K – 2 x 10 [mm2] – [F+N] | 143.14 [mm2] |
| Manguera RZ1-K – 2 x 16 [mm2] – [F+N] | 188,69 [mm2] |
| Manguera RZ1-K – 2 x 25 [mm2] – [F+N] | 277,59 [mm2] |
| Manguera RZ1-K – 2 x 35 [mm2] – [F+N] | 373,25 [mm2] |
| Manguera RZ1-K – 4 x 4 [mm2] – [3·F+N] | 116,90 [mm2] |
| Manguera RZ1-K – 4 x 6 [mm2] – [3·F+N] | 143,14 [mm2] |
| Manguera RZ1-K – 4 x 10 [mm2] – [3·F+N] | 196,07 [mm2] |
| Manguera RZ1-K – 4 x 16 [mm2] – [3·F+N] | 263,02 [mm2] |
| Manguera RZ1-K – 4 x 25 [mm2] – [3·F+N] | 394,08 [mm2] |
| Manguera RZ1-K – 4 x 35 [mm2] – [3·F+N] | 514,72 [mm2] |
| Manguera RZ1-K – 4 x 50 [mm2] – [3·F+N] | 593,96 [mm2] |
| Manguera RZ1-K – 4 x 70 [mm2] – [3·F+N] | 819,40 [mm2] |
| Manguera RZ1-K – 4 x 95 [mm2] – [3·F+N] | 1012,23 [mm2] |
| Manguera RZ1-K – 4 x 120 [mm2] – [3·F+N] | 1301,00 [mm2] |
| Manguera RZ1-K – 4 x 150 [mm2] – [3·F+N] | 1583,37 [mm2] |
| Manguera RZ1-K – 4 x 185 [mm2] – [3·F+N] | 1916,65 [mm2] |
| Manguera RZ1-K – 4 x 240[mm2] – [3·F+N] | 2516,07 [mm2] |
| Manguera RZ1-K – 4 x 300 [mm2] – [3·F+N] | 3267,45 [mm2] |
Finalmente hay que tener en cuenta la sensibilidad mínima del transformador, ya que esta limita el valor más bajo de corriente residual del relé. Por ejemplo, si un relé tiene un rango de 30 a 1000 [mA], pero el toroidal admite como poco 300 [mA], el rango real será de 300 a 1000 [mA]. Esto es importante en aplicaciones que requieran por normativa unas sensibilidades muy bajas.
REQUISITOS DEL INTERRUPTOR
Los interruptores automáticos usados junto a relés diferenciales suelen ser de caja moldeada (MCCB) o de bastidor abierto (ACB), es decir, de tipo industrial. Estos dispositivos casi siempre disponen de la posibilidad de ser accionados externamente a través de una bobina, que puede estar integrada en el propio interruptor o acoplarse a este. Aunque el cálculo de interruptores no es el objeto de esta entrada, cabe recordar que deben cumplir las siguientes tres condiciones referentes a su intensidad nominal y poder de corte:
Condición de cálculo I (protección frente sobrecargas) → IT ≤ IN ≤ IA
Condición de cálculo II (protección frente sobrecargas) → IN ≤ 1,45 · IA / k3
Condición de cálculo III (protección frente cortocircuitos) → ICC ≤ PC
| Parámetros de cálculo |
|---|
| IT ≡ Intensidad de trabajo del circuito ≡ [A] |
| IN ≡ Intensidad nominal del interruptor ≡ [A] Calibres: 6 [A], 10 [A], 16 [A], 20 [A], 25 [A], 32/35 [A], 40 [A], … , 200 [A], 250 [A], 320 [A], … , 1600 [A], … , 6300 [A]. |
| IA ≡ Intensidad admisible o máxima del circuito ≡ [A] |
| ICC ≡ Intensidad producida en el caso de cortocircuito ≡ [A] |
| PC ≡ Poder de corte frente cortocircuitos del interruptor ≡ [A] |
| Protección | Intensidad nominal | k3 |
|---|---|
| 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 |
CASO PRÁCTICO
Se desea seleccionar la protección diferencial y frente sobreintensidades para la alimentación de una estación de recarga de vehículos eléctricos de 200 [kW]. El circuito está conformado por cuatro cables unipolares de 240 [mm2] (3·F + N) más uno de protección de 120 [mm2] (T), tiene una intensidad admisible de 419 [A] y puede sufrir cortocircuitos de hasta 8000 [A].
Cabe aclarar que los SAVE de la estación (sistemas de alimentación específicos de vehículo eléctrico) ya cuentan con sus protecciones diferenciales tipo A y de 30 [mA], la protección que se desea calcular es para la línea principal, de cual también derivan los sistema auxiliares (e.g iluminación, videovigilancia, etc). Para la selección de los modelos se recurre a la gama Sentron del fabricante Siemens para instalaciones de baja tensión:
PASO 1 – Elección del relé diferencial.
Al tratarse de una estación de recarga para vehículos eléctricos, la protección diferencial deberá ser al menos tipo A, ya que así viene especificado en la ITC-BT-52 del REBT. En la página 21 del catálogo se listan los modelos disponibles tanto de relés como de transformadores.
Dado que solo se requiere la protección de un circuito, el modelo 5SV8200-6KK queda descartado. Los dos restantes, 5SV8000-6KK / 5SV8001-6KK, son adecuados, pero finalmente se decide recurrir al relé 5SV8001-6KK por disponer de pantalla de monitorización y ser más regulable.
PASO 2 – Cálculo y selección del transformador.
En la propia ficha técnica del relé se especifican las referencias de los transformadores diferenciales que son compatibles con él, hay un total de 7 opciones: 5SV8700-0KK, 5SV8701-0KK, 5SV8702-0KK, 5SV8703-0KK, 5SV8704-0KK, 5SV8705-0KK y 5SV8706-0KK.
El hueco de estos modelos es circular con diámetros de 20 a 210 [mm]. El toroidal debe ser capaz de soportar una corriente de 360,84 [A] y disponer de una sección útil de al menos 5557,20 [mm2], tal y como se justifica en los siguientes cálculos llevados a cabo:
IMIN = (k1 · PN) / (VN · k0) = (1,25 · 200.000) / (400 · √3) = 360,84 [A]
SMIN = k2 · ∑ (π · di2) / 4 = k2 · ∑Si = 2,50 · (555,72+555,72+555,72+555,72) = 5557,20 [mm2]
DMIN = √((4 · SMIN) / π) = 84,12 [mm]
En base a la sección mínima se ha deducido que el diámetro del toroidal debe ser de al menos 84,12 [mm]. El modelo más adecuado en base a esto sería el 5SV8704-0KK, que cuenta con 105 [mm], no obstante, este soporta como máximo 250 [A], por lo que no cumple el primer requisito.
El siguiente modelo disponible es el 5SV8705-0KK, que tiene 140 [mm] de diámetro y soporta hasta 500 [A], por lo que es el elegido finalmente. Cabe destacar que este toroidal admite una sensibilidad mínima de 300 [mA], por lo que el relé solo podrá ajustarse de 300 a 30000 [mA].
PASO 3 – Cálculo y selección del interruptor.
Para la selección del interruptor se recurre a la gama MCCB «4P, 4R, N Protegido, Protección de línea» expuesta en la página 9 del catálogo. Estos disponen de intensidades nominales de 16 a 1600 [A] (regulable) y poderes de corte de 25/36/55 [kA]. El dispositivo elegido deberá cumplir las siguientes condiciones:
Condición de cálculo I (sobrecargas) → IT ≤ IN ≤ IA → 288,68 ≤ IN ≤ 419,00 [A]
Condición de cálculo II (sobrecargas) → IN ≤ 1,45 · IA / k3 → IN ≤ 467,35 [A]
Condición de cálculo III (cortocircuitos) → ICC ≤ PC → 8000 ≤ PC
Con estos resultados se deduce que el modelo más adecuado es el 3VA1332-4GF42-0AA0, que tiene una intensidad nominal de 320 [A] y un poder de corte de 36 [kA]. En el catálogo se especifica que, aunque este interruptor es accionable externamente, es necesario para ello equiparlo de un disparador compatible, como es el caso del disparador 3VA9908-0BD11.
PASO 4 – Esquema de montaje.
Por último se muestra como quedarían cableados entre sí los diferentes elementos elegidos. Cabe aclarar que el interruptor no está representado, este estaría situado aguas arriba del toroidal, tal y como se expuso en la Figura 2. Los terminales 13/14/15 son los conectados al disparador o bobina acoplado al interruptor. La alimentación del relé, que se conecta a sus terminales 10 y 11, se protegerá con un par de fusibles de 10 [A].
