Coordinación de protecciones: selectividad y protección de refuerzo en cuadros eléctricos

Cuando diseñas un cuadro eléctrico de distribución con varias protecciones en cascada, aparecen dos preguntas: si un defecto hará saltar solo la protección de la línea o también el general, y si puedes instalar magnetotérmicos con menor poder de corte que la intensidad de cortocircuito prevista. Quim Soler, Responsable del Área de componentes industriales de Grupo Elektra, repasa los dos conceptos que las responden: selectividad y protección de refuerzo.

1. Las dos preguntas de partida

Cuando diseñamos cuadros eléctricos de distribución, en los que colocamos distintas protecciones (magnetotérmica, diferencial), nos enfrentamos a dos problemáticas principales:

1. Si colocamos dos protecciones en cascada –por ejemplo, la protección de una línea o carga alimentada del embarrado– y hay una sobrecarga o cortocircuito, ¿disparará solo esta protección? ¿O puede disparar el interruptor general del cuadro?

Es donde aparece el concepto de SELECTIVIDAD de las protecciones. Pero ¿es obligatorio diseñar los cuadros eléctricos aplicando este concepto? ¿Qué dicen las normas y los reglamentos?

Este concepto se puede aplicar tanto para la protección contra sobrecargas y cortocircuitos como para la protección frente a fallos de aislamiento con diferenciales.

2. ¿Elegimos los poderes de corte de las protecciones magnetotérmicas de forma correcta? ¿Dentro de un cuadro eléctrico los poderes de corte deben ser los mismos? ¿Podemos colocar protecciones con menor poder de corte que la intensidad de cortocircuito prevista en el punto de instalación del cuadro? Algunas de estas preguntas pueden resolverse a partir del concepto de PROTECCIÓN REFORZADA (o protección back-up).

En este artículo veremos la necesidad de coordinar las protecciones, tanto para cumplir requisitos normativos como para bajar el coste del diseño de los cuadros y aumentar la vida útil de las instalaciones.

2. Selectividad de protecciones

Disparo de la protección situada inmediatamente aguas arriba del defecto, para dar continuidad de servicio (alimentación) y una rápida localización de los fallos.

¿Qué nos dicen las distintas normas y reglamentos?

1. REBT. En el proyecto de nuevo REBT encontramos que, en su artículo 16 sobre instalaciones interiores:

«En toda instalación interior que se proyecte y realice se alcanzará el máximo equilibrio en las cargas que soportan los distintos conductores que la forman, y ésta se subdividirá de forma que las perturbaciones originadas por las averías que pudieran producirse en algún punto de ella afecten a una mínima parte de la instalación. Esta subdivisión deberá permitir también la localización de las averías y facilitar el control del aislamiento de la parte de la instalación afectada».

Si una avería debe afectar a una mínima parte de la instalación, debería ser necesario diseñarlas con criterio de selectividad de las protecciones.

No varía mucho del REBT actual, que en su guía de aplicación (GUIA-BT-22, protección contra sobreintensidades) introduce los conceptos de coordinación y selectividad:

2. Norma de cuadros eléctricos UNE-EN 61439-1/2. Su apartado de requisitos de funcionamiento deja la selectividad en manos del acuerdo entre quien fabrica el cuadro y quien lo va a usar:

• Coordinación de los dispositivos de protección.
  • Acuerdo entre el fabricante del conjunto y el usuario.
  • La información dada por el catálogo del fabricante del conjunto puede reemplazar dicho acuerdo.
  • Si las condiciones de empleo necesitan máxima continuidad de suministro → selectividad.

Características de la selectividad de protecciones

La selectividad no es una etiqueta que traiga el interruptor, sino el resultado de cómo se comportan dos protecciones juntas. Conviene tener claro qué hay que comprobar, hasta dónde llega y con qué se consigue:

• Debe comprobarse para todos los circuitos y para todos los tipos de fallos:
  • Sobrecarga.
  • Cortocircuito.
  • Fallo a tierra: protección diferencial (régimen TT).
• La selectividad puede ser:
  • Total: hasta la capacidad de corte del interruptor aguas abajo.
  • Parcial: hasta determinado valor de cortocircuito.
• Soluciones basadas en:
  • Corriente: IA >> IB.
• Tiempo: retraso de disparo.
• Combinación de corriente-tiempo:
  • El interruptor aguas arriba tiene dos umbrales de disparo magnético:
    • Corto retardo: Im A (Isd).
    • Instantáneo: Ii.
  • La selectividad es total si la Isc B < Ii (del interruptor A).
• Energía: la necesaria para la apertura de los interruptores.
• Lógica: señales auxiliares.

Para comprobar si hay selectividad debe verificarse con las tablas y herramientas que suministran los fabricantes, que nos determinan si hay selectividad total (T: sea cual sea el valor de la Icc) y, si no es total, hasta qué valor de Icc la hay.

Funcionan a partir de qué interruptor tienes aguas arriba y cuál es el interruptor que está aguas abajo.

Para conseguir más prestaciones de selectividad se recomiendan interruptores de caja moldeada (aguas arriba) con unidades de control electrónicas.

3. Selectividad de interruptores diferenciales

Con los diferenciales el planteamiento es el mismo, pero los parámetros cambian: aquí se juega con la sensibilidad y con el tiempo de disparo.

• La especificación general para conseguir la selectividad total entre dos diferenciales es la siguiente:
  • • Multiplicación por dos como mínimo de la corriente de funcionamiento residual nominal (2 veces la sensibilidad IΔN).
    • Temporización del DDR aguas arriba: el mínimo tiempo de no disparo debe ser superior al tiempo máximo de disparo del ID aguas abajo.
• La selectividad se consigue utilizando los diferentes niveles de sensibilidad normalizados –30 mA, 100 mA, 300 mA y 1 A– así como los correspondientes tiempos de disparo.
• Temporización:
  • Diferenciales selectivos: tipo S (300 mA, mínimo).
  • Relés diferenciales: regulación del tiempo de disparo.

En el proyecto de nuevo REBT:

«En el caso de que se instale más de un interruptor diferencial en serie, existirá una selectividad entre ellos, para lo cual deben cumplirse las siguientes condiciones:

– El tiempo de no-actuación del diferencial instalado aguas arriba deberá ser superior al tiempo total de operación del diferencial situado aguas abajo. Los diferenciales tipo S o los de tipo retardado de tiempo regulable cumplen con esta condición.

– La intensidad diferencial-residual del diferencial instalado aguas arriba deberá ser tres veces superior a la del diferencial situado aguas abajo».

4. Protección de refuerzo

También conocida como filiación, cascading o protección de respaldo.

¿Qué es?

La idea de partida es que un magnetotérmico rápido no deja pasar toda la corriente de defecto prevista, y esa corriente que no pasa es la que protege a lo que hay aguas abajo:

• Uso de la capacidad de limitación de los interruptores magnetotérmicos.
  • Capacidad para impedir el paso de la corriente de defecto prevista máxima y permitir que solo fluya una cantidad limitada de corriente, por la apertura muy rápida de los contactos (o la fusión, en el caso de los fusibles).
  • El rendimiento lo proporciona el fabricante en forma de curvas.

Esa limitación no solo permite ajustar poderes de corte: se nota en cómo envejece la instalación. Ventajas técnicas de esta limitación: aumento de la vida útil de la instalación.

• Efectos térmicos:
  • Menor temperatura del cable en caso de defecto: cálculo de la sección del cable frente a la condición de cortocircuito.
  • Mayor vida útil del cable y de los componentes que no están autoprotegidos.
• Efectos mecánicos:
  • Fuerzas de repulsión electrodinámicas más pequeñas.
  • Dimensionamiento de embarrados y fijaciones de cables.
  • Menor riesgo de deformación o rotura de contactos eléctricos y embarrados.
• Efectos electromagnéticos:
  • Menos interferencias.

Aplicación práctica

Aquí es donde la protección de refuerzo se convierte en dinero y en espacio dentro del cuadro.

Uso de la capacidad de limitación de los interruptores magnetotérmicos:

• Para permitir, en un punto determinado de la instalación, la instalación de interruptores con menor poder de corte que la Icc prevista en ese punto (Isc).
  • El interruptor aguas arriba debe tener PdC > Icc.
• Combinaciones ensayadas en laboratorio. Las da el fabricante.

Ejemplo: la intensidad de cortocircuito prevista es de 25 kA. El interruptor D2 debería tener un poder de corte (Icu) como mínimo de 25 kA.

Si el interruptor D1 fuera un NSX F, la protección D2 podría ser un iC60N, que tiene un poder de corte (Icu) de 10 kA, pero que por la protección de refuerzo aguas arriba pasa a tener 25 kA.

La protección de refuerzo es un criterio de diseño y optimización de cuadros eléctricos, sobre todo cuando son necesarias protecciones de alto poder de corte, por estar los cuadros cerca de los transformadores.

¿Qué nos dicen las normativas y reglamentos?

• La norma de cuadros eléctricos (UNE-EN 61439-1) lo tiene incorporado:
  • «Cuando se conecten en serie dispositivos de protección de cortocircuitos y estén destinados a funcionar simultáneamente para alcanzar la capacidad requerida de despejar el cortocircuito (es decir, protección de respaldo)…».
• El REBT, en su GUIA-BT-22:

5. Preguntas frecuentes sobre la coordinación de protecciones

Estas son las dudas que más aparecen al coordinar las protecciones de un cuadro, resueltas con los datos del propio artículo.

¿Qué es la selectividad de las protecciones?

Es que dispare solo la protección situada inmediatamente aguas arriba del defecto, para mantener la continuidad de servicio en el resto de la instalación y localizar el fallo rápidamente. Es total cuando se mantiene hasta la capacidad de corte del interruptor aguas abajo y parcial cuando solo llega hasta un determinado valor de cortocircuito.

¿Cómo se consigue selectividad entre dos diferenciales?

Con la sensibilidad y el tiempo. El diferencial aguas arriba debe tener como mínimo el doble de sensibilidad que el de aguas abajo –el proyecto de nuevo REBT pide tres veces superior– y su tiempo de no actuación tiene que ser superior al tiempo total de operación del de aguas abajo, lo que cumplen los diferenciales tipo S y los de tiempo regulable.

¿Puedo instalar un magnetotérmico con menor poder de corte que la Icc del punto?

Sí, mediante la protección de refuerzo: si el interruptor aguas arriba tiene PdC > Icc y la combinación está ensayada por el fabricante, el de aguas abajo puede tener un poder de corte inferior. El ejemplo del artículo: con un NSX F aguas arriba, un iC60N de 10 kA pasa a soportar los 25 kA previstos.

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