La seguridad en las instalaciones eléctricas depende de medidas adecuadas para proteger circuitos, cables y dispositivos contra eventos como sobrecargas, cortocircuitos y contactos a tierra. Estas medidas no solo son fundamentales para el funcionamiento seguro de los sistemas, sino que también están reguladas por normativas específicas, como el Reglamento Electrotécnico de Baja Tensión en España, que establece la obligatoriedad de implementar dispositivos de desconexión que actúen en situaciones de riesgo.

Fig. 1: Características tiempo-corriente de un relé térmico

Las sobrecargas ocurren cuando la intensidad en un circuito supera su valor nominal, sin alcanzar niveles extremadamente altos. Aunque pueden no ser inmediatamente peligrosas, pueden dañar los aislantes si se prolongan en el tiempo. Para prevenir este daño y mantener el funcionamiento normal de dispositivos como motores, se utilizan relés térmicos.

Fig. 2: Elección del relé térmico conocida la imagen térmica del elemento a proteger

Los relés térmicos permiten sobrecargas temporales dentro de límites controlados, evitando desconexiones innecesarias, como las que ocurren durante el arranque de un motor. Estos dispositivos funcionan según una característica de tiempo inverso: cuanto mayor es la intensidad, más rápido actúan. Basan su operación en una lámina bimetálica, compuesta por dos metales con diferentes coeficientes de dilatación. Cuando la corriente aumenta, el calor generado deforma la lámina, activando un mecanismo que desconecta el circuito si se supera un umbral seguro.

El diseño de estos dispositivos asegura que sean eficaces en una variedad de condiciones. Por ejemplo:

• Permiten pequeñas sobrecargas durante períodos controlados.
• Actúan rápidamente frente a corrientes peligrosas.
• Incluyen ajustes para adaptarse a diferentes temperaturas ambientales y características de carga.

En instalaciones de potencia, los relés térmicos suelen conectarse a transformadores de intensidad que reducen proporcionalmente la corriente que pasa por el relé, lo que optimiza su tamaño y coste.

Los cortocircuitos son eventos extremos en los que la impedancia de un circuito disminuye bruscamente, provocando un aumento masivo de la intensidad de corriente. Estos eventos son altamente destructivos, causando:

1. Efectos térmicos, que pueden alcanzar temperaturas superiores a 2000 °C, dañando conductores, aislamientos y estructuras adyacentes.
2. Efectos electrodinámicos, generando fuerzas magnéticas que pueden deformar o destruir componentes eléctricos.

Fig. 4: Relé térmico: en frío y después de recibir el paso de una gran intensidad

Para proteger las instalaciones, se emplean relés magnéticos, que actúan casi instantáneamente al detectar un aumento repentino de la intensidad. Estos relés operan mediante la atracción electromagnética de una armadura, que desconecta el circuito. Su ajuste permite diferenciar entre corrientes de cortocircuito y corrientes normales, como las de arranque.

En instalaciones más grandes, donde las corrientes son elevadas, los relés magnéticos también se conectan a transformadores de intensidad, reduciendo la necesidad de manejar directamente las corrientes totales del sistema.

Para simplificar la protección en instalaciones de baja tensión, se utilizan relés magnetotérmicos, que combinan las funciones de los relés térmicos y magnéticos. Estos dispositivos ofrecen una protección integral contra sobrecargas y cortocircuitos, siendo capaces de adaptarse a diversas condiciones de operación. Su diseño incluye:

• Dispositivos térmicos para sobrecargas, que actúan con un retardo dependiente de la intensidad.
• Dispositivos magnéticos para cortocircuitos, que actúan casi instantáneamente.

Figura : Si por un error de conexión o fallo de aislamiento, los dos terminales de la toma de corriente entran en contacto (circuito corto), la resistencia disminuirá a valores muy bajos (del orden de décimas de Ω), quedando la intensidad con un valor:

Además, los interruptores magnetotérmicos suelen incorporar características adicionales como dispositivos de mínima tensión, que desconectan el circuito si la tensión cae por debajo de un nivel seguro. Esto evita arranques automáticos no deseados de motores y equipos tras interrupciones breves en el suministro.

El contacto a tierra es otro riesgo significativo en las instalaciones eléctricas. Para proteger contra este peligro, se utilizan dispositivos diferenciales, que detectan corrientes de fuga hacia tierra y desconectan el circuito. Estos dispositivos son esenciales para garantizar la seguridad de las personas y evitar daños en los equipos.

Además, la puesta a tierra es una medida clave para disipar cualquier corriente residual que pueda quedar en el sistema. Esto es especialmente importante en instalaciones de alta tensión, donde las corrientes residuales pueden ser peligrosas incluso después de desconectar el circuito principal.

Los interruptores y relés utilizados en las instalaciones eléctricas tienen dos parámetros fundamentales:

1. Poder de corte: La máxima intensidad que un interruptor puede interrumpir sin dañarse.
2. Poder de cierre: La máxima intensidad que un interruptor puede soportar en el momento de la conexión, sin riesgo de destrucción.

Fig. 6: Curva de disparo de un sistema con protección magnetotérmica

Estos valores son esenciales para garantizar la seguridad y la durabilidad de los dispositivos de protección.

La correcta selección de relés y dispositivos de protección depende de factores como:

• Las características de la carga, incluyendo corrientes de arranque y sobrecargas temporales.
• La temperatura ambiental, que afecta el rendimiento de los relés térmicos.
• Las condiciones de operación, como posibles picos de corriente o fluctuaciones de tensión.

Cuando no se dispone de información detallada sobre el equipo a proteger, se siguen normativas como las UNE y CEI, que establecen directrices para la selección de dispositivos basadas en las características generales del sistema.

Consideremos un ejemplo práctico para comprender el impacto de un cortocircuito. En una vivienda con 220 V de tensión, una bombilla de 100 W tiene una resistencia de aproximadamente 484 Ω y consume 0.45 A, una corriente segura. Sin embargo, si ocurre un cortocircuito, la resistencia del sistema podría caer a valores muy bajos, como 0.1 Ω, lo que resultaría en una corriente de 2200 A. Esta corriente generaría efectos destructivos, como formación de plasma y daños irreversibles en los materiales. Por ello, es crucial que los dispositivos de protección actúen de inmediato para desconectar el circuito.

Términos destacados :

1. Aislamiento (Insulation)
2. Alta tensión (High voltage)
3. Bobina (Coil)
4. Calentamiento (Heating)
5. Circuito abierto (Open circuit)
6. Circuito corto (Short circuit)
7. Coeficiente de dilatación (Expansion coefficient)
8. Contacto a tierra (Ground contact)
9. Cortocircuito (Short circuit)
10. Curva de disparo (Tripping curve)
11. Dispositivo diferencial (Residual current device)
12. Dispositivo magnetotérmico (Thermomagnetic device)
13. Disyuntor (Breaker)
14. Efecto electrodinámico (Electrodynamic effect)
15. Efecto térmico (Thermal effect)
16. Fusible (Fuse)
17. Intensidad (Current)
18. Lámina bimetálica (Bimetallic strip)
19. Normativa (Regulation)
20. Poder de cierre (Closing capacity)
21. Poder de corte (Breaking capacity)
22. Puesta a tierra (Grounding)
23. Relé magnético (Magnetic relay)
24. Relé térmico (Thermal relay)
25. Sobrecarga (Overload)
26. Sistema con protección magnetotérmica (System with thermomagnetic protection )

La protección en instalaciones eléctricas no es solo un requisito legal, sino una necesidad para garantizar la seguridad de las personas y la integridad de los sistemas. Desde relés térmicos y magnéticos hasta dispositivos diferenciales y de puesta a tierra, cada componente cumple un papel específico en la prevención de riesgos asociados a sobrecargas, cortocircuitos y contactos a tierra.

La comprensión y correcta implementación de estos dispositivos, junto con el cumplimiento de normativas como las UNE y CEI, son esenciales para asegurar un funcionamiento seguro y eficiente de las instalaciones eléctricas. Este enfoque integral minimiza riesgos, optimiza el rendimiento y prolonga la vida útil de los equipos.