Dispositivos de protección: finalidad, tipos, clasificación, especificaciones, instalación, características de funcionamiento, configuración y reparación

2024 Autor: Howard Calhoun | [email protected]. Última modificación: 2024-01-02 13:53

Los dispositivos de protección son dispositivos que están diseñados para proteger circuitos eléctricos, equipos eléctricos, máquinas y otras unidades de cualquier amenaza que interfiera con el funcionamiento normal de estos dispositivos, así como para protegerlos de sobrecargas. Es importante tener en cuenta aquí que deben instalarse correctamente y la operación debe realizarse exactamente de acuerdo con las instrucciones, de lo contrario, los dispositivos de protección en sí mismos pueden causar fallas en el equipo, explosión, incendio y otras cosas.

Requisitos básicos de accesorios

Para que el dispositivo funcione correctamente, debe cumplir con los siguientes requisitos:

• Los dispositivos de protección no deben, bajo ninguna circunstancia, exceder la temperatura permitida para ellos bajo carga normal de la red eléctrica o del equipo eléctrico.
• El dispositivo no debe desconectar el equipo de la alimentación durante sobrecargas breves, que a menudo incluyen corriente de arranque, corriente de arranque automático, etc.

Al elegir cartuchos fusibles, debe basarse en la corriente nominal en la sección del circuito que protegerá este dispositivo. Esta regla para elegir dispositivos de protección es relevante en cualquier caso al elegir cualquier dispositivo para protección. También es importante comprender que con un sobrecalentamiento prolongado, las cualidades protectoras se reducen significativamente. Esto afecta negativamente a los dispositivos, ya que en el momento de carga crítica pueden, por ejemplo, simplemente no apagarse, lo que provocará un accidente.

Los dispositivos de protección deben necesariamente apagar la red cuando ocurren sobrecargas prolongadas dentro de este circuito. En este caso se debe observar la dependencia inversa de la corriente con respecto al tiempo de exposición.

En cualquier caso, el dispositivo de protección debe desconectar el circuito al final cuando se produzca un cortocircuito (cortocircuito). Si ocurre un cortocircuito en un circuito monofásico, entonces el apagado debe ocurrir en una red con un neutro sólidamente conectado a tierra. Si se produce un cortocircuito en un circuito bifásico, entonces en una red con neutro aislado.

Los dispositivos de protección de circuitos eléctricos tienen un poder de corte I _{pr. El valor de este parámetro debe corresponder a la corriente de cortocircuito que se puede producir al inicio del tramo protegido. Si este valor es inferior a la corriente de cortocircuito máxima posible, es posible que el proceso de desconexión de una sección del circuito no se produzca en absoluto o se produzca, pero con un retraso. Debido a esto, no solo los dispositivos conectados a esta red pueden dañarse, sino también el propio dispositivo de protección del circuito eléctrico. Por esta razón, el factor de capacidad de corte debe sermayor o igual que la corriente máxima de cortocircuito.}

Fusibles tipo fusible

Hoy en día existen varios dispositivos para la protección de redes eléctricas, que son los más comunes. Uno de estos dispositivos es un fusible. El objetivo de este tipo de dispositivo de protección es proteger la red de sobrecargas y cortocircuitos de tipo corriente.

Hoy en día, existen dispositivos desechables, así como con insertos intercambiables. Dichos dispositivos pueden usarse tanto en necesidades industriales como en la vida cotidiana. Para ello, existen dispositivos que se utilizan en líneas de hasta 1 kV.

Además de ellos, existen dispositivos de alta tensión utilizados en subestaciones cuyo voltaje es superior a 1000 V. Un ejemplo de dicho dispositivo puede ser un fusible en transformadores auxiliares de subestaciones con 6/0, 4 kV.

Dado que el propósito de estos dispositivos de protección es proteger contra cortocircuitos y sobrecargas de corriente, han sido ampliamente utilizados. Además, son muy sencillos y fáciles de usar, su sustitución también es rápida y sencilla, y son muy fiables en sí mismos. Todo esto ha llevado al hecho de que dichos fusibles se utilizan con mucha frecuencia.

Para considerar las características técnicas, puede tomar el dispositivo PR-2. Dependiendo de la corriente nominal, este dispositivo está disponible con seis tipos de cartuchos, que difieren en su diámetro. En el cartucho de cada uno de ellos, se puede instalar un inserto con la expectativa de una corriente nominal diferente. Apor ejemplo, un cartucho de 15 A puede equiparse con un inserto de 6 A y uno de 10 A.

Además de esta característica, también existe el concepto de corriente de prueba inferior y superior. En cuanto al valor inferior de la corriente de prueba, este es el valor máximo de la corriente, durante cuyo flujo en el circuito durante 1 hora, la sección del circuito no se desconectará. En cuanto al valor superior, este es el coeficiente de corriente mínimo que, al circular durante 1 hora en el circuito, derretirá el inserto en el aparato de protección y control.

Disyuntores

Los disyuntores cumplen la misma función que los fusibles, pero su diseño es más complejo. Sin embargo, esto se compensa con el hecho de que los interruptores son mucho más cómodos de usar que los fusibles. Por ejemplo, si aparece un cortocircuito en la red debido al envejecimiento del aislamiento, entonces el interruptor puede desconectar la sección dañada del circuito eléctrico de la alimentación. Al mismo tiempo, el aparato de control y protección en sí se restaura con bastante facilidad, después de la operación no requiere reemplazo por uno nuevo, y después del trabajo de reparación puede proteger de manera confiable la sección del circuito bajo su control nuevamente. Es muy conveniente utilizar este tipo de interruptores si es necesario realizar alguna reparación rutinaria.

En cuanto a la producción de estos dispositivos, el indicador principal es la corriente nominal para la que está diseñado el dispositivo. En este sentido, hay una gran variedad que le permite elegir el más adecuado para cada cadena.dispositivo. Si hablamos del voltaje de operación, entonces, como los fusibles, se dividen en dos tipos: con voltaje de hasta 1 kV y alto voltaje con un voltaje de operación superior a 1 kV. Es importante agregar aquí que los dispositivos de protección de alto voltaje para equipos eléctricos y circuitos eléctricos se producen en vacío, con gas inerte o llenos de aceite. Este diseño permite a un nivel superior desconectar el circuito cuando surge tal necesidad. Otra diferencia importante entre los disyuntores y los fusibles es que están hechos para funcionar no solo en circuitos monofásicos, sino también en circuitos trifásicos.

Por ejemplo, en el caso de un cortocircuito a tierra de uno de los conductores de un motor eléctrico, el disyuntor apagará las tres fases y no una dañada. Esta es una diferencia significativa y clave, porque si solo se apaga una fase, el motor seguirá funcionando en dos fases. Este modo de operación es de emergencia y reduce en gran medida la vida útil del dispositivo, pudiendo incluso provocar una falla de emergencia del equipo. Además, los disyuntores de tipo automático se fabrican para funcionar con voltaje de CA y CC.

Relé térmico y de corriente

Hoy en día, existen muchos tipos diferentes de relés entre los dispositivos de protección de redes eléctricas.

El relé térmico es uno de los dispositivos más comunes que pueden proteger motores eléctricos, calentadores, cualquier dispositivo de potencia deproblema como sobrecarga de corriente. El principio de funcionamiento de este dispositivo es muy sencillo, y se basa en que la corriente eléctrica es capaz de calentar el conductor por el que circula. La parte principal de trabajo de cualquier relé térmico es una placa bimetálica. Cuando se calienta a cierta temperatura, esta placa se dobla, lo que rompe el contacto eléctrico en el circuito. Naturalmente, el calentamiento de la placa continuará hasta que alcance el punto crítico.

Además de la térmica, existen otros tipos de dispositivos de protección, por ejemplo, un relé de corriente que controla la cantidad de corriente en la red. También existe un relé de tensión que responderá a un cambio de tensión en la red y un relé de corriente diferencial. El último dispositivo es un dispositivo de protección de corriente de fuga. Es importante señalar aquí que los interruptores automáticos, como los fusibles, no pueden reaccionar ante la aparición de fugas de corriente, ya que este valor es bastante pequeño. Pero al mismo tiempo, este valor es suficiente para matar a una persona en contacto con la carcasa de un dispositivo sujeto a dicho mal funcionamiento.

Si hay una gran cantidad de aparatos eléctricos que necesitan conectar un relé de corriente diferencial, a menudo se usan máquinas combinadas para reducir el tamaño del blindaje de energía. Los dispositivos que combinan un disyuntor y un relé de corriente diferencial (disyuntores de protección diferencial o diautomats) se han convertido en tales dispositivos. Al usar dichos dispositivos, no solo se reduce el tamaño del protector de energía, sino que también se facilita enormemente el proceso de instalación.aparatos de protección, lo que a su vez los hace más económicos.

Especificaciones del relé térmico

La característica principal de los relés térmicos es el tiempo de respuesta, que depende de la corriente de carga. En otras palabras, esta característica se llama tiempo-corriente. Si consideramos el caso general, antes de que se aplique la carga, la corriente I₀ fluirá a través del relé. En este caso, el calentamiento de la placa bimetálica será q_{0. Al verificar esta característica, es muy importante considerar desde qué estado (sobrecalentado o frío) se activa el dispositivo. Además, al comprobar estos dispositivos, es muy importante recordar que la placa no es térmicamente estable cuando se produce una corriente de cortocircuito.}

La elección de los relés térmicos es la siguiente. La corriente nominal de dicho dispositivo de protección se selecciona en función de la carga nominal del motor eléctrico. La corriente de relé seleccionada debe ser 1, 2-1, 3 de la corriente nominal del motor (corriente de carga). En otras palabras, dicho dispositivo funcionará si dentro de 20 minutos la carga es del 20 al 30%.

Es muy importante comprender que el funcionamiento del relé térmico se ve significativamente afectado por la temperatura del aire ambiente. Debido al aumento de la temperatura ambiente, la corriente de funcionamiento de este dispositivo disminuirá. Si este indicador difiere demasiado del nominal, entonces será necesario realizar un ajuste suave adicional del relé,o compre un nuevo dispositivo, pero teniendo en cuenta la temperatura ambiente real en el área de trabajo de esta unidad.

Para reducir el efecto de la temperatura ambiente en el valor de la corriente de arranque, es necesario comprar un relé con una clasificación de carga más alta. Para lograr el correcto funcionamiento de un dispositivo cálido, debe instalarse en la misma habitación que el objeto controlado. Sin embargo, debe recordarse que el relé responde a la temperatura, por lo que está prohibido colocarlo cerca de fuentes de calor concentrado. Las calderas, fuentes de calor y otros sistemas y dispositivos similares se consideran tales fuentes.

Seleccionar dispositivos

A la hora de elegir equipos para la protección de receptores eléctricos y redes eléctricas, es necesario basarse en las corrientes nominales para las que están diseñados estos dispositivos, así como en la corriente que alimenta la red donde se instalarán dichos equipos.

Al elegir un dispositivo de protección, es muy importante tener en cuenta la aparición de modos de funcionamiento anómalos como:

• cortocircuitos entre fases;
• fase corta a caso;
• un fuerte aumento de la corriente, que puede ser causado por un cortocircuito incompleto o una sobrecarga del equipo de proceso;
• desaparición completa o demasiada reducción de tensión.

En cuanto a la protección contra cortocircuitos, debe llevarse a cabo para todos los receptores eléctricos. El requisito principal es que desconectar el dispositivo de la red cuandola ocurrencia de un cortocircuito debe ser la mínima posible. Al elegir dispositivos de protección, también es importante saber que se debe proporcionar una protección completa contra sobrecorriente, con la excepción de algunos de los siguientes casos:

• cuando la sobrecarga de los receptores eléctricos por razones tecnológicas es simplemente imposible o improbable;
• si la potencia del motor eléctrico es inferior a 1 kW.

Además, es posible que un dispositivo de protección eléctrica no tenga una función de protección contra sobrecargas si se instala para monitorear un motor eléctrico que funciona de manera intermitente o intermitente. Una excepción es la instalación de cualquier aparato eléctrico en habitaciones con alto riesgo de incendio. En tales salas, se debe instalar protección contra sobrecargas en todos los dispositivos sin excepción.

La protección contra subtensión debe configurarse en algunos de los siguientes casos:

• para motores eléctricos que no pueden encenderse a plena tensión;
• para motores eléctricos en los que el arranque automático no está permitido por una serie de razones tecnológicas o es peligroso para los empleados;
• para cualquier otro motor eléctrico que deba apagarse para reducir la potencia total de todos los receptores eléctricos conectados en esta red a un valor aceptable.

Variedades de corrientes y selección de dispositivos de protección

La más peligrosa es la corriente de cortocircuito. El principal peligro es que es mucho mayor que la corriente de arranque normal, y además su valor puede variar mucho dependiendo de la sección del circuito donde se presente. Por lo tanto, al verificar un dispositivo de protección que protege un circuito de un cortocircuito, debe, lo más rápido posible, desconectar el circuito cuando se presente dicho problema. Al mismo tiempo, en ningún caso debe funcionar cuando en el circuito se presente un valor normal de la corriente de arranque de cualquier aparato eléctrico.

En cuanto a la corriente de sobrecarga, aquí todo está bastante claro. Se considera tal corriente a cualquier valor de la característica que exceda la corriente nominal del motor eléctrico. Pero aquí es muy importante comprender que no siempre que se produce una corriente de sobrecarga, el dispositivo de protección debe desconectar los contactos del circuito. Esto también es importante porque en algunos casos se permite una sobrecarga a corto plazo tanto del motor eléctrico como de la red eléctrica. Vale la pena agregar aquí que cuanto más corta sea la carga, mayores serán los valores que puede alcanzar. En base a esto, queda claro cuál es la principal ventaja de algunos dispositivos. El grado de protección de los dispositivos con una "característica dependiente" en este caso es el máximo, ya que su tiempo de respuesta disminuirá con un aumento en el factor de carga en este momento. Por lo tanto, estos dispositivos son ideales para la protección contra sobrecorriente.

Para resumir, podemos decir lo siguiente. Para protección contracortocircuito, se debe seleccionar un dispositivo de marcha libre, que se configurará para operar una corriente que es significativamente más alta que el valor inicial. Para la protección de sobrecarga, por el contrario, el dispositivo de conmutación de protección debe tener inercia, así como una característica dependiente. Debe seleccionarse de tal manera que no opere durante la puesta en marcha normal del dispositivo eléctrico.

Desventajas de los diferentes tipos de dispositivos de protección

Los fusibles, que anteriormente se usaban ampliamente como dispositivos de protección de aparamenta, tienen las siguientes desventajas:

• posibilidad bastante limitada de uso como protección contra sobrecorriente, ya que la desafinación de la corriente de arranque es bastante difícil;
• el motor continuará funcionando en dos fases, incluso si la tercera se corta con un fusible, lo que hace que el motor falle con frecuencia;
• en determinados casos, el límite de potencia de corte es insuficiente;
• no hay capacidad para restaurar rápidamente la energía después de un corte de energía.

En cuanto a las máquinas de aire, son más perfectas que las de fusibles, pero no están exentas de inconvenientes. El principal problema del uso de dispositivos de protección eléctrica es que no son selectivos en términos de acción. Esto es especialmente notable si se produce una corriente de corte no regulada en la máquina de fraguado.

Existen máquinas de instalación en las que la protección contra sobrecargas se realiza mediante disparadores térmicos. Sensibilidad ysu retraso es peor que el de los relés térmicos, pero al mismo tiempo actúan en las tres fases a la vez. En cuanto a las máquinas automáticas universales para protección, aquí es aún peor. Esto se justifica por el hecho de que solo están disponibles los disparadores electromagnéticos.

A menudo se utilizan arrancadores magnéticos, en los que se construyen relés de tipo térmico. Dicho equipo de protección puede proteger el circuito eléctrico de la corriente de sobrecarga en dos fases. Pero dado que los relés térmicos tienen una gran inercia, no pueden brindar protección contra cortocircuitos. La instalación de una bobina de retención en el arrancador puede brindar protección contra bajo voltaje.

Solo los relés de inducción o los relés electromagnéticos pueden proporcionar protección de alta calidad contra sobrecargas y cortocircuitos. Sin embargo, solo pueden funcionar a través de un dispositivo de desconexión, lo que complica el circuito con su conexión.

Resumiendo lo anterior, podemos sacar las siguientes dos conclusiones:

1. Para proteger los motores eléctricos, cuya potencia no exceda los 55 kW, de la corriente de sobrecarga, se utilizan con mayor frecuencia arrancadores magnéticos con fusibles o con dispositivos de aire.
2. Si la potencia del motor eléctrico es superior a 55 kW, se utilizan contactores electromagnéticos con vehículos aéreos o relés de protección para protegerlos. Es muy importante recordar aquí que el contactor no permitirá que el circuito se rompa si ocurre un cortocircuito.

A la hora de elegir el dispositivo adecuado, es muy importante calcular los dispositivos de protección. La fórmula más importante es el cálculo de la corriente nominal del motor, que le permitirá elegir un dispositivo de protección con indicadores adecuados. La fórmula se ve así:

I_n=R_dv ÷(√3U_{ncos c n), donde:}

I_{n es la corriente nominal del motor, que estará en A;}

R_{motor es la potencia del motor, que se representa en kW;}

U_{n es la tensión nominal en V;}

cos q es el factor de potencia activa;

n es el factor de eficiencia.

Conociendo estos datos, puede calcular fácilmente la corriente nominal del motor y luego seleccionar fácilmente el dispositivo de protección apropiado.

Variedades de daño al equipo de protección

La principal diferencia entre los dispositivos de protección de circuitos eléctricos y otros dispositivos es que no solo reparan el defecto, sino que también desconectan el circuito si los valores característicos superan ciertos límites. El problema más peligroso, que a menudo desactiva el equipo de protección, se ha convertido en un cortocircuito sordo. Durante la ocurrencia de dicho cortocircuito, los indicadores de corriente alcanzan los valores más altos.

Cuando se produce un circuito abierto cuando ocurre un problema de este tipo, a menudo se produce un arco eléctrico, que en un corto período de tiempo es bastante capaz de destruir el aislamiento y derretir las partes metálicas del aparato.

Si se produce demasiada corriente de sobrecarga, las partes conductoras pueden sobrecalentarse. Además, existen fuerzas mecánicas queaumentar significativamente el desgaste de los elementos individuales del equipo, lo que a veces puede incluso provocar la rotura del dispositivo.

Existen disyuntores de alta velocidad que son propensos a problemas tales como el roce del brazo móvil y el contacto móvil contra las paredes de la cámara de arco, así como el cortocircuito de la barra de la bobina desmagnetizadora con la carcasa. Muy a menudo hay demasiado desgaste en las superficies de contacto, pistones y cilindros de accionamiento.

Reparación de máquinas de alta velocidad

La reparación de cualquier tipo de dispositivo de protección de alta velocidad debe realizarse en la misma secuencia. El interruptor de alta velocidad, o BV, se sopla con aire comprimido limpio a una presión de no más de 300 kPa (3 kgf/cm2). Después de eso, el dispositivo se limpia con servilletas. A continuación, debe quitar elementos como la cámara de arco, el dispositivo de bloqueo, el actuador neumático, la armadura de contacto móvil, la derivación inductiva y otros.

La reparación directa del dispositivo se lleva a cabo en un puesto de reparación especial. La cámara de arco se desmonta, sus paredes se limpian en una granalladora especial, después de lo cual se limpian e inspeccionan. En la parte superior de esta cámara se pueden admitir virutas si sus dimensiones no superan los 50x50 mm El espesor de pared en los puntos de ruptura debe ser de 4 a 8 mm. Es necesario medir la resistencia entre los cuernos de la cámara de arco. Para algunas muestras, el indicador debe ser de al menos 5 MΩ, y para algunas, de al menos 10 MΩ.

La partición dañada debe ser cortadatoda su longitud. Todos los lugares similares de tala deben limpiarse cuidadosamente. Después de eso, las superficies a unir se lubrican con una solución adhesiva a base de resina epoxi. Si se encuentran láminas de abanico rotas, se reemplazan. Si los hay doblados, se deben nivelar y volver a poner en servicio. También hay una rampa de arco, que debe limpiarse de depósitos y derretimiento, si corresponde.