Protección de los circuitos eléctricos

Los circuitos de las instalaciones de baja tensión se pueden clasificar en según la función que desempeñen:

1. Circuitos de control: lo constituyen el conexionado de los diferentes dispositivos de maniobra, corte y protección necesarios para el control de la instalación.
2. Servicios auxiliares: lo constituyen los dispositivos (alimentados por sistemas o circuitos de generación, como baterías) que no son imprescindibles para el funcionamiento de la instalación pero que la complementan, mejorando sus especificaciones. Por ejemplo, un sistema de protección contra incendios, alumbrado de emergencia, etc.

Todos los circuitos eléctricos deberán estar protegidos contra los efectos que puedan presentarse, interrumpiendo este circuito en un tiempo conveniente. Se denomina paramenta eléctrica al conjunto de aparatos utilizados para la conexión, protección y desconexión de los circuitos eléctricos.

Las clases de protección son:

1. Prevención de contactos directos: es el que sufre una persona al entrar en contacto con las partes que normalmente están en tensión (activas) de la instalación.

2. Prevención contra contactos indirectos: es el que sufre una persona al entrar en contacto con partes de la instalación que normalmente no deberían estar en tensión y sin embargo lo están porque ha habido un fallo del aislamiento en alguna parte de la instalación.

3. Protección contra sobreintensidades.

4. Protección contra sobretensiones.

Así, por ejemplo, recibir una descarga eléctrica por tocar involuntariamente una borna de una caja de conexión abierta de un módulo fotovoltaico sería un contacto directo. Por el contrario, si se recibe una descarga eléctrica cuando se toca el marco del módulo fotovoltaico, se trataría de un contacto indirecto porque ha tenido que haber un fallo de aislamiento en el mismo.

Protección contra contactos directos e indirectos

Para la protección de las personas se toman dos tipos de medidas:

1. Contra contactos directos
2. Contra contactos indirectos

La protección de las personas contra contactos directos queda asegurada mediante un aislamiento apropiado de todas las partes activas de la instalación, según establece el Reglamento Electrotécnico para Baja Tensión (REBT) de 2002 en la instrucción ITC-BT-24. Las partes activas están cubiertas de un aislamiento que solo se puede eliminar destruyéndolo.

En la parte de continua de la instalación, se protege a las personas de los contactos indirectos mediante la utilización de módulos fotovoltaicos con clase de aislamiento II. La estructura y el marco de los módulos fotovoltaicos estarán conectadas a tierra de acuerdo con el REBT (ITC-BT-18: apartado 8.2.3, Instalaciones de puesta a tierra) y tal como exige el RD 1663/2000.

La conexión a tierra de la estructura soporte ofrecerá una buena protección contra sobrecargas atmosféricas y una superficie equipotencial que previene ante contactos indirectos (en el caso de que uno de los polos activos del campo fotovoltaico presente un contacto de defecto con la estructura, si esta está puesta a tierra).

En la protección contra contactos indirectos en la parte de corriente alterna, se utiliza protección diferencial y puesta a tierra, según la instrucción ITC-BT-24 del REBT de 2002. Incluirá una combinación de tres tipos de protecciones:

1. Alejamiento de las partes activas de la instalación junto con una interposición de obstáculos que impiden todo contacto accidental con las partes activas y recubrimiento de las partes activas con aislamiento apropiado.
2. Los conductores poseerán un aislamiento superior a 1.000 V (corriente de contacto <<1 miliamperio).
3. Se utilizarán cajas aislantes e inaccesibles para todos los conexionados. Los conductores están aislados mediante tubo de cualquier contacto.

Las partes metálicas utilizadas para impedir cualquier contacto accidental con las partes activas están protegidas contra contactos indirectos.

Interruptor diferencial

Es un interruptor que tiene la capacidad de detectar la diferencia de corriente de entrada y salida en un circuito. Cuando esta diferencia supera un valor determinado (sensibilidad) para el que está calibrado (30 mA, 300 mA, etc.), el dispositivo abre el circuito, irrumpiendo el paso de la corriente a la instalación que protege.

Protección contra sobreintensidades

Las instalaciones se diseñan para que los componentes trabajen en un régimen normal, sin superar en ningún momento valores de intensidad determinados (nominales).

Cuando, por alguna razón, en alguna parte de la instalación aparecen valores superiores a los nominales (sobreintensidades), estas originan aumentos de temperatura, especialmente en los aislantes de los conductores, que pueden originar daños, deterioros e incluso incendios. Por esta razón, el REBT señala, en la ITC-BT-22, que todo circuito eléctrico debe estar protegido contra los efectos de las sobreintensidades.

El origen de las sobreintensidades puede ser:

1. Sobrecargas, debidas a los aparatos de utilización o defectos de aislamiento de gran impedancia.
2. Cortocircuitos.
3. Descargas eléctricas atmosféricas.

Sobrecargas

Se producen cuando hacemos pasar por un conductor eléctrico más intensidad de corriente que la nominal (intensidad para la que ha sido calculada la línea).

Estas pueden ser:

1. Previsibles (arranque de un motor)
2. Accidentales

Las sobrecargas suelen destruir la línea poco a poco, por lo que se utilizan dispositivos de protección de accionamiento lento (también llamados de protección térmica), como los fusibles o los interruptores automáticos.

Los excesos de temperatura pueden destruir inmediatamente un conductor, como puede ser el caso de un cortocircuito. Las sobrecargas tardan más en dañar al conductor, pero los excesos constantes de temperatura de los materiales aislantes hacen que se envejezcan con más rapidez, limitando la vida útil del conductor.

Para la protección contra cortocircuitos y sobrecargas se emplean:

1. Los fusibles: Un fusible es un dispositivo de protección autodestructivo, basado en la fusión de una lámina metálica, cuando la intensidad que circula por él sobrepasa sus características tiempo-intensidad. Se intercala en un punto determinado de una instalación eléctrica para que se funda, por efecto Joule, cuando la intensidad de corriente supere, por un cortocircuito o un exceso de carga, un determinado valor que pudiera hacer peligrar la integridad de los conductores de una instalación con el consiguiente riesgo de incendio o destrucción de otros elementos. Existen tipos de fusión extra rápida, rápida y lenta, dependiendo de las características de la instalación a proteger. En este tipo de instalaciones, se utilizan los fusibles extra rápidos. La apertura de fusibles hay que hacerla después de comprobar que no hay corriente circulando por ellos. Nunca se deben de abrir cuando están en carga. El valor de corriente máxima debe ser menor o igual al valor de la capacidad de conducción eléctrica del cable o que la corriente del fusible, así: Imax ≤ Ifusible. Los fusibles constan de:
   1. La base portafusibles, destinada a la fijación y conexión en la instalación del cartucho fusible. Dispone de los bornes de conexión para los conductores y de características constructivas acorde con el tipo de cartucho fusible.
   2. Un cartucho fusible que dispone de una lámina metálica estriada calibrada para una determinada intensidad nominal, encapsulada en un contenedor cerámico.
2. Los interruptores automáticos. Interruptor automático magnetotérmicos. Son aparatos de protección frente a intensidades de corriente anormalmente elevadas, producidas como consecuencia de cortocircuitos o por el elevado número de elementos de consumo conectados a las mismas. Están constituidos por:
   1. Un bimetal como componente de protección frente a sobrecargas que actúa sobre el sistema mecánico cuando se dilata por el efecto Joule al paso de una corriente superior a la de regulación o nominal.
   2. Una bobina de absorción como componente de protección contra cortocircuitos; cuando la intensidad alcanza un umbral determinado, un núcleo de hierro es absorbido por la bobina debido al aumento del campo magnético creado por la intensidad que circula por ella, este acciona el dispositivo mecánico abriendo el interruptor.

Cortocircuitos

Un cortocircuito se produce cuando se reduce la impedancia a valores casi nulos, produciéndose una intensidad muy elevada (muy superior a la nominal). Este incremento tan grande de intensidad puede destruir la línea en pocos segundos, por lo que suelen usarse mecanismos de acción rápida de protección (o magnéticos).

Tienen que ser capaces de cortar la corriente lo más rápidamente posible:

Icc = U/Rlínea

Protección contra sobretensiones

Las instalaciones fotovoltaicas que se caracterizan por ocupar extensas superficies están especialmente expuestas a las descargas atmosféricas y las consiguientes sobretensiones transitorias.

Las consecuencias de estas sobretensiones son la reducción del rendimiento y la vida de la instalación. El uso de protecciones contra sobretensiones garantiza la optimización del rendimiento de la instalación y en consecuencia se muestra como una decisión altamente rentable.

Los protectores de sobretensión descargan a tierra los picos de tensión transitorios que se trasmiten a través de los cables de la instalación eléctrica.

Su funcionamiento es tal que, mientras los voltajes se mantienen en su rango de operación normal, presentan una resistencia eléctrica muy elevada, pero, cuando aparece una sobretensión (V > Vumbral), estos se comportan como si se produjese un breve cortocircuito (del orden de µs).

Como una instalación solar fotovoltaica va a tener una parte en corriente continua y otra en alterna, habrá que instalar protecciones en ambas partes.