Protección contra sobreintensidades en baja tensión

ELECTRICISTAS PORTAL

En el diseño de una instalación eléctrica (residencial, comercial o industrial), la protección contra sobreintensidades es uno de los pilares de la seguridad. Su objetivo principal es proteger los conductores activos contra los efectos térmicos y mecánicos perjudiciales causados por corrientes superiores a las admisibles, reduciendo riesgos de incendio, daño a equipos y fallos en la instalación.

Esta protección se regula principalmente por la norma IEC 60364-4-43 (Protection against overcurrent), adoptada o adaptada en la normativa chilena de la SEC (a través de los Pliegos Técnicos RIC y principios generales de instalaciones de consumo). Las sobreintensidades se dividen en dos tipos principales, que requieren enfoques diferenciados pero coordinados:

• Sobrecargas: Corrientes moderadamente superiores a la nominal, de duración prolongada (minutos u horas). Causadas por exceso de carga conectada, fallos de aislamiento de alta impedancia o desequilibrios.
• Cortocircuitos: Corrientes muy elevadas (varias veces la nominal) y de muy corta duración (milisegundos). Causadas por fallos de baja impedancia (fase-fase, fase-neutro o fase-tierra en algunos casos).

Los dispositivos más utilizados son los interruptores automáticos magnetotérmicos (MCB modulares o MCCB) y los fusibles (principalmente tipo gG para uso general). Los RCBO combinan protección contra sobreintensidades + corriente residual.

1. Protección contra Sobrecargas

El objetivo es que el dispositivo desconecte la corriente antes de que los conductores alcancen temperaturas que degraden el aislamiento (generalmente 70 °C para PVC o 90 °C para XLPE en régimen continuo).

Condiciones de coordinación obligatorias (IEC 60364-4-43, cláusula 433):

Se deben cumplir simultáneamente las dos siguientes:

Ecuación 1: I_B≤I_n≤I_Z ​

Ecuación 2: I₂≤1,45×I_Z ​

Donde:

• I_B: Corriente de diseño del circuito (carga prevista, considerando factores de diversidad/simultaneidad).
• I_n: Corriente nominal (o ajuste de disparo) del dispositivo de protección.
• I_Z: Capacidad de conducción de corriente del conductor en las condiciones reales de instalación (según IEC 60364-5-52 o tablas equivalentes). Depende de:
  • Sección del conductor (mm²)
  • Material (Cu o Al)
  • Tipo de aislamiento
  • Método de instalación (referencia A a G: conduit, bandeja, enterrado, etc.)
  • Temperatura ambiente
  • Factor de agrupamiento de cables
  • Otros factores de corrección (K)
• I₂ :Corriente que garantiza el funcionamiento efectivo del dispositivo dentro del tiempo convencional (para magnetotérmicos suele ser ≈ 1,45 I_n en el disparo térmico; para fusibles gG según su norma específica).

Pasos prácticos de diseño:

1. Calcular I_B por cada circuito (cargas continuas/intermitentes, motores con factor de servicio, etc.).
2. Determinar I_Z aplicando todos los factores de corrección.
3. Elegir sección S tal que IZ≥IB I_Z \geq I_B IZ​≥IB​ (con margen).
4. Seleccionar dispositivo con In≤IZ I_n \leq I_Z In​≤IZ​ y curva térmica adecuada.
5. Verificar la condición I2≤1,45IZ I_2 \leq 1{,}45 I_Z I2​≤1,45IZ​.

Dispositivos habituales: Interruptor automático con unidad térmica (o electrónica en MCCB) o fusibles gG. La unidad térmica (bimetálica o electrónica) proporciona la característica de tiempo inverso característica de las sobrecargas.

Ubicación: Generalmente en el origen del circuito o en el punto donde se reduce la capacidad de corriente (cambio de sección, método de instalación o material). Existen excepciones limitadas (ver norma).

2. Protección contra Cortocircuitos

El objetivo es interrumpir rápidamente corrientes muy altas para limitar la energía térmica (I²t I^²t I²t) y las fuerzas electrodinámicas, protegiendo conductores, bornes, barras y equipos aguas abajo.

Requisitos principales:

• Poder de corte (breaking capacity): El dispositivo debe ser capaz de interrumpir (y los interruptores automáticos también de establecer) la corriente de cortocircuito presunta máxima en su punto de instalación:

  Icu (o Ics)≥Isc (prospectiva) I_{cu} \ (o\ I_{cs}) \geq I_{sc\ (prospectiva)} Icu​ (o Ics​)≥Isc (prospectiva)​

  En instalaciones chilenas típicas se usan MCB de 6 kA o 10 kA; en tableros industriales MCCB de mayor capacidad (hasta 50-100 kA o más).

• Limitación de energía (efecto Joule adiabático): La energía dejada pasar por el dispositivo debe ser soportable por el conductor:

  k2S2≥I2t(let-through del dispositivo) k^2 S^2 \geq I^2 t \quad \text{(let-through del dispositivo)} k2S2≥I2t(let-through del dispositivo)

  Donde:

  • $S$: sección del conductor (mm²)
  • $k$: factor que depende del material y aislamiento (ejemplos comunes: 115 para Cu/PVC, 143 para Cu/XLPE, 76 para Al/PVC)
  • I²t I^² t I²t: valor de energía let-through del dispositivo (tablas del fabricante según nivel de Isc I_{sc} Isc​ y tiempo de disparo)

Cálculo de la corriente de cortocircuito presunta (Isc I_{sc} Isc​):

Se calcula en cada punto relevante de la instalación (origen del tablero, subtableros, circuitos finales). La fórmula simplificada más usada es:

​Donde Ztotal Z_{total} Ztotal​ es la impedancia equivalente desde la fuente hasta el punto de fallo (principalmente impedancia del transformador de alimentación + impedancia de líneas y cables).

Se calculan habitualmente dos valores:

• Isc maˊx I_{sc\ máx} Isc maˊx​: para verificar poder de corte.
• Isc mıˊn I_{sc\ mín} Isc mıˊn​: para verificar que el dispositivo dispara en tiempo adecuado y para coordinación con protección contra contactos indirectos.

Dispositivos: Parte magnética (instantánea o con retardo corto) de los interruptores magnetotérmicos. Las curvas de disparo magnético más usadas son:

• Curva B: 3–5 × In I_n In​ (cargas resistivas, alumbrado general).
• Curva C: 5–10 × In I_n In​ (cargas con corriente de arranque moderada: iluminación fluorescente/LED, pequeños motores).
• Curva D: 10–20 × In I_n In​ (motores, transformadores, cargas con alta corriente de irrupción).

3. Coordinación entre Protección de Sobrecarga y Cortocircuito + Selectividad

• Con un mismo dispositivo: La mayoría de los magnetotérmicos combinan ambas (térmica + magnética). Debe cumplir simultáneamente las condiciones de sobrecarga y cortocircuito.
• Con dispositivos separados: Común en arrancadores de motor (relé térmico + fusible aM o breaker de cortocircuito). Las características deben coordinarse para que el dispositivo de cortocircuito no actúe en sobrecargas normales y que la energía total (I²t I^²t I²t) sea compatible.
• Selectividad (discriminación) entre niveles: Fundamental en instalaciones con varios escalones de protección (tablero principal → subtableros → circuitos finales). Solo debe actuar el dispositivo más cercano al fallo.
  • Métodos: por corriente, por tiempo, por energía (I²t I^²t I²t) o lógica (en MCCB electrónicos con comunicación).
  • Se verifica con curvas tiempo-corriente (TCC) superpuestas.
• Protección de respaldo (back-up o cascading): Cuando el dispositivo aguas abajo tiene poder de corte insuficiente, el aguas arriba puede respaldarlo. Requiere tablas de combinación del fabricante (no se asume automáticamente).

Otros Puntos Clave que Debes Considerar como Profesional

• Protección del neutro: En sistemas TN-S equilibrados suele protegerse igual que las fases. Con cargas no lineales (armónicos) puede ser necesario aumentar sección o protección específica.
• Circuitos especiales:
  • Motores: Relé de sobrecarga (ajuste ≈ 1,05–1,2 × In I_n In​ motor) + protección de cortocircuito. Coordinación tipo 1 o 2 con el contactor.
  • Transformadores y bancos de capacitores: Protecciones específicas (a menudo con relés dedicados).
• Factores de instalación y derating: Temperatura ambiente elevada, agrupamiento de cables, longitudes (caída de tensión), método de instalación. Todo afecta IZ I_Z IZ​.
• Verificación y documentación: Cálculos completos de IB I_B IB​, IZ I_Z IZ​, Isc I_{sc} Isc​, I²t I^²t I²t, selectividad y ajustes de dispositivos. Planos unifilares con ajustes. En Chile es clave para inspecciones SEC y certificación de instalaciones.
• Errores frecuentes que debes evitar:
  • Elegir In>IZ I_n > I_Z In​>IZ​ (el conductor queda desprotegido térmicamente).
  • No verificar poder de corte en puntos alejados.
  • Falta de selectividad (disparos en cascada que afectan toda la instalación).
  • Ignorar corrientes de arranque → disparos intempestivos (usar curva C o D).
  • No aplicar factores de corrección en IZ I_Z IZ​.

Resumen del Enfoque Profesional Recomendado

1. Determinar cargas y calcular IB I_B IB​ por circuito.
2. Dimensionar conductores (IZ I_Z IZ​, caída de tensión, soporte de cortocircuito).
3. Seleccionar dispositivos con In≤IZ I_n \leq I_Z In​≤IZ​, curva adecuada y poder de corte suficiente.
4. Verificar condiciones de sobrecarga (I2 I_2 I2​) y cortocircuito (I²t I^²t I²t).
5. Realizar estudio de coordinación/selectividad entre niveles.
6. Documentar todo para trazabilidad y cumplimiento normativo (SEC).

Este enfoque garantiza una instalación segura, fiable y eficiente, minimizando riesgos y optimizando la continuidad del servicio.

Si te gusto y es de utilidad nuestro contenido, coméntalo y comparte para continuar nuestro trabajo  www.electricistas.cl

ESPACIO DISPONIBLE