Disyuntor de fuga a tierra

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Un disyuntor diferencial ( ELCB ) es un dispositivo de seguridad que se utiliza en instalaciones eléctricas con alta impedancia de tierra para evitar descargas eléctricas. Detecta pequeñas tensiones parásitas en las carcasas metálicas de los equipos eléctricos e interrumpe el circuito si detecta una tensión peligrosa. En su momento, su uso se extendió, pero en las instalaciones más recientes se utilizan en su lugar dispositivos de corriente residual (RCD, RCCB o GFCI) que detectan directamente la corriente de fuga.

El objetivo principal de los protectores de fuga a tierra es evitar lesiones a humanos y animales debido a descargas eléctricas.

Se trata de una categoría de dispositivos que se utilizan para proteger instrumentos, circuitos y operadores, mientras que los interruptores diferenciales eléctricos (ELCB) son dispositivos accionados por tensión (VO-ELCB) que detectan un aumento de tensión entre la estructura metálica de la instalación y un electrodo externo. Estos dispositivos han sido reemplazados por dispositivos de detección de corriente (RCD/RCCB). En la literatura moderna, los dispositivos de detección de tensión se denominan ELCB o VOELCB y los dispositivos de detección de corriente se denominan RCCB o RCD.

Los ELCB con detección de voltaje se introdujeron por primera vez hace unos sesenta años ^{[ ¿cuándo? ]} . Los ELCB con detección de corriente se introdujeron por primera vez hace unos cuarenta años. Durante muchos años, tanto el ELCB operado por voltaje como el ELCB operado por corriente diferencial se denominaron ELCB porque era un nombre más fácil de recordar. Pero el uso de un nombre común para dos dispositivos diferentes dio lugar a una considerable confusión en la industria eléctrica.

Si se utiliza el tipo incorrecto en una instalación, el nivel de protección proporcionado podría ser sustancialmente menor que el previsto, en particular, el tipo operado por voltaje solo puede proteger contra fallas o descargas eléctricas en el metal conectado a la tierra del circuito, conectado al VOELCB, no puede detectar la corriente que sale de un cable activo y corre a tierra por otro camino, como a través de una persona parada en el suelo.

Para eliminar esta confusión, la IEC decidió aplicar el término dispositivo de corriente residual (RCD) a los interruptores diferenciales eléctricos que funcionan con corriente diferencial. La corriente residual se refiere a cualquier residuo que se produce al comparar la corriente de salida y de retorno en el circuito. En un circuito monofásico, esto es simplemente la corriente de fase o activa menos la corriente neutra. En un circuito trifásico, se deben detectar todos los conductores que transportan corriente.

Un ELCB es un tipo especializado de relé de enclavamiento que conecta la energía principal entrante de un edificio a través de sus contactos de conmutación , de modo que el ELCB desconecta la energía cuando se detecta una fuga a tierra.

El ELCB detecta corrientes de falla desde el cable con corriente hacia el cable de tierra (tierra) dentro de la instalación que protege. Si aparece suficiente voltaje a través de la bobina de detección del ELCB, apagará la energía y permanecerá apagado hasta que se restablezca manualmente. Un ELCB con detección de voltaje no detecta corrientes de falla desde el cable con corriente hacia ningún otro cuerpo conectado a tierra.

Existen dos tipos de disyuntores diferenciales:

• operado por voltaje (denominado ELCB en este artículo) y,
• accionado por corriente (en este artículo se denomina RCCB).

Desde entonces, los interruptores ELCB de tensión se han utilizado ampliamente y muchos siguen en funcionamiento, pero ya no se instalan en construcciones nuevas. Un interruptor ELCB de tensión detecta un aumento de potencial entre la estructura metálica interconectada protegida (bastidores de equipos, conductos, envolventes) y un electrodo de referencia de tierra aislado distante. Funcionan con un potencial detectado de alrededor de 50 voltios para abrir un disyuntor principal y aislar el suministro de las instalaciones protegidas. ^[1]

Un ELCB operado por voltaje tiene un segundo terminal para conectarse a la conexión a tierra de referencia remota.

El circuito de tierra se modifica cuando se utiliza un ELCB; la conexión a la varilla de tierra se realiza a través del ELCB mediante la conexión a sus dos terminales de tierra. Un terminal va al CPC de tierra de la instalación ( conductor de protección del circuito , también conocido como cable de tierra) y el otro a la varilla de tierra (o, a veces, a otro tipo de conexión a tierra).

En comparación con un sistema de detección de corriente, los sistemas de detección de voltaje tienen varias desventajas que incluyen:

• Una rotura de cable en la sección de falla a carga, o en la sección de tierra a tierra, deshabilitará el funcionamiento del ELCB.
• Requisito de un tercer cable adicional desde la carga hasta el ELCB.
• Los dispositivos separados no se pueden conectar a tierra individualmente.
• Cualquier conexión adicional a Tierra en el sistema protegido puede desactivar el detector.
• El ELCB detecta fallas del equipo y no puede detectar si una persona toca accidentalmente una parte energizada del ELCB.

El RCD/RCCB es el tipo de ELCB más utilizado. Un RCCB normalmente consta de un transformador de corriente , que tiene varios devanados primarios y un devanado secundario. Los cables neutro y de línea (o líneas en sistemas multifásicos) actúan como devanados primarios. Una bobina de alambre enrollado es el devanado secundario. La corriente a través del devanado secundario es cero en la condición equilibrada. En la condición equilibrada, el flujo debido a la corriente a través del cable de fase será neutralizado por la corriente a través del cable neutro, ya que la corriente, que fluye desde la fase, será devuelta al neutro. Cuando ocurre una falla, una pequeña corriente también fluirá a tierra. Esto crea un desequilibrio entre la corriente de línea y neutro creando un campo magnético desequilibrado. Esto induce una corriente a través del devanado secundario, que está conectado al circuito de detección. Esto detectará la fuga y enviará una señal al sistema de disparo.

Los ELCB con detección de voltaje tienen algunas ventajas sobre los RCD con detección de corriente: 1) Son menos sensibles a las condiciones de falla y, por lo tanto, tienen menos disparos molestos. (Esto no significa que siempre lo sean, ya que el rendimiento práctico depende de los detalles de la instalación y el filtrado que mejora la discriminación en el ELCB). Por lo tanto, al separar eléctricamente la armadura del cable del conductor de protección del circuito del cable, se puede disponer un ELCB para proteger solo contra daños en el cable y no dispararse en caso de fallas en instalaciones de línea descendente. 2) Los ELCB con detección de voltaje también se dispararán en caso de fallas de corriente continua a tierra que un RCD/RCCB con interfaz de transformador no puede detectar, con problemas similares con frecuencias significativamente superiores a la frecuencia de la red. Esto puede provocar que no se detecten fallas a tierra en variadores de velocidad entre la electrónica del variador y el motor, por ejemplo.

Los ELCB con detección de voltaje tienen algunas desventajas:

• No detectan fallas que no pasan corriente a través del CPC hasta la varilla de tierra .
• No permiten que un solo sistema de construcción se divida fácilmente en múltiples secciones con protección contra fallas independiente, porque los sistemas de puesta a tierra generalmente están conectados a las tuberías .
• Pueden activarse por voltajes externos provenientes de algo conectado al sistema de puesta a tierra, como tuberías metálicas, una tierra TN-S o una tierra y neutro combinados TN-CS.
• Al igual que con los RCD, los electrodomésticos con fugas eléctricas, como algunos calentadores de agua , lavadoras y cocinas, pueden provocar que se dispare el ELCB.
• Los ELCB introducen una resistencia adicional y un punto de falla adicional en el sistema de puesta a tierra .

No es inusual que una instalación protegida por ELCB tenga una segunda conexión no intencional a tierra en algún lugar, una que no pase a través de la bobina de detección del ELCB. Esto puede ocurrir a través de tuberías metálicas en contacto con el suelo, marcos estructurales metálicos , electrodomésticos exteriores en contacto con el suelo , etc.

Cuando esto ocurre, la corriente de falla puede pasar a tierra sin ser detectada por el ELCB. A pesar de esto, quizás de manera contraria a la intuición, el funcionamiento del ELCB no se ve comprometido. El propósito del ELCB es evitar que la estructura metálica conectada a tierra alcance un voltaje peligroso durante las condiciones de falla, y el ELCB continúa haciendo esto de la misma manera, el ELCB seguirá cortando la energía al mismo nivel de voltaje CPC. (La diferencia es que entonces se necesita una corriente de falla más alta para alcanzar este voltaje).

Si bien el voltaje y la corriente en la línea de tierra generalmente son corrientes de falla de un cable activo, este no siempre es el caso, por lo que hay situaciones en las que un ELCB puede dispararse por molestias.

Cuando una instalación tiene dos conexiones a Tierra, un rayo de alta corriente cercano provocará un gradiente de voltaje en el suelo, presentando a la bobina de detección ELCB con suficiente voltaje para hacer que se dispare.

Si la pica de tierra de la instalación se coloca cerca de la pica de tierra de un edificio vecino, una corriente de fuga a tierra alta en el otro edificio puede aumentar el potencial de tierra local y causar una diferencia de voltaje entre las dos tierras, lo que nuevamente activa el interruptor diferencial. Las picas de tierra cercanas no son adecuadas para el uso de interruptores diferenciales por este motivo, pero en la vida real, a veces se encuentran este tipo de instalaciones.

Tanto los RCD como los ELCB son propensos a disparos molestos debido a fugas a tierra normales e inofensivas hasta cierto punto. Por un lado, los ELCB son en promedio más antiguos y, por lo tanto, tienden a tener un filtrado menos desarrollado contra disparos molestos y, por otro lado, los ELCB son inherentemente inmunes a algunas de las causas de disparos falsos que sufren los RCD y, por lo general, son menos sensibles que los RCD. En la práctica, los disparos molestos de los RCD son mucho más comunes.

Otra causa de disparos por molestias se debe a corrientes acumuladas o de carga causadas por elementos con una resistencia de aislamiento reducida. Esto puede ocurrir debido a equipos antiguos, equipos con elementos de calefacción o incluso cableado en edificios en los trópicos donde las condiciones prolongadas de humedad y lluvia pueden hacer que la resistencia de aislamiento disminuya debido al seguimiento de la humedad. Si hay un dispositivo de protección de 30 mA en uso y hay una carga de 10 mA de varias fuentes, entonces la unidad se disparará a 20 mA. Los elementos individuales pueden ser eléctricamente seguros, pero una gran cantidad de pequeñas corrientes de carga se acumulan y reducen el nivel de disparo. Esto era más un problema en instalaciones anteriores donde varios circuitos estaban protegidos por un solo ELCB.

Los elementos calefactores de forma tubular están llenos de un polvo muy fino que puede absorber la humedad si el elemento no se ha utilizado durante algún tiempo. En los trópicos, esto puede ocurrir, por ejemplo, si una secadora de ropa no se ha utilizado durante un año o si una caldera de agua grande que se utiliza para café, etc., ha estado almacenada. En tales casos, si se permite que la unidad se encienda sin protección RCD, normalmente se secará y pasará la inspección con éxito. Este tipo de problema se puede ver incluso en equipos nuevos.

Algunos interruptores ELCB no responden a la corriente de falla rectificada. Este problema es el mismo en principio con los interruptores ELCB y los RCD, pero los ELCB son en promedio mucho más antiguos y las especificaciones han mejorado considerablemente con el paso de los años, por lo que es más probable que un interruptor ELCB antiguo tenga alguna forma de onda de corriente de falla a la que no responda.

Con cualquier dispositivo mecánico ocurren fallas, y lo ideal es probar los ELCB periódicamente para garantizar que aún funcionan.

Si alguno de los cables de tierra se desconecta del ELCB, ya no se disparará y, a menudo, la instalación ya no estará conectada a tierra correctamente.

• Dispositivo de corriente residual
• Sistema de puesta a tierra