Estudio del Efecto Producido por Cambios de Temperatura en los Interruptores Diferenciales

Alabern Morera, Xavier

ETSEI de Terrassa. Universitat Politècnica de Catalunya. Departament d’Enginyeria Elèctrica. C./ Colom 11,  08222 Terrassa.+34 93 739 80 35 alabern@ee.upc.esHidalgo Cañero, JosepMútua Egara. Servicio de Prevención. Departamento de Seguridad en el Trabajo. C/Garcia Humet, 40, 08221 Terrassa.+ 34 93 745 80 10 jhidalgo@mutuaegara.es

Ochoa Vallet, Guillem

Mútua Egara. Servicio de Prevención. Departamento de Seguridad en el Trabajo. C/Garcia Humet, 40, 08221 Terrassa.+34 93 745 80 10 gochoa@mutuaegara.es

ABSTRACT

Los interruptores diferenciales permiten cortar en el menor tiempo posible el suministro de tensión cuando detecta una corriente de defecto. El presente artículo, a través de la norma CEI-479-2, realiza un análisis de los valores experimentales de tiempos de disparo obtenido en interruptores diferenciales de obra y en diferentes condiciones de temperatura. La finalidad última del estudio es poder ratificar la existencia de pérdida de protección de los interruptores diferenciales ante grandes cambios de temperatura y proponer soluciones para combatir dicho problema.

Palabras clave

interruptor diferencial, cambios de temperatura, tiempo de disparo.

INTRODUCCIÓN

Temática

Los interruptores diferenciales se utilizan para controlar los defectos de aislamiento producidos en toda instalación eléctrica. En el momento en que se produzca una corriente de efecto, es percibida por el interruptor diferencial y produce el corte de suministro eléctrico en un tiempo muy breve (ms) para así poder evitar en lo máximo posible el paso de corriente por el cuerpo humano.

Pero el comportamiento del interruptor diferencial no es el mismo en todas las condiciones depende de las circunstancias en las que se encuentre tal y como marca la norma IEC 947-1:

• Altura: Hasta los 2000 metros el comportamiento del interruptor diferencial permanece invariable.
• Condiciones atmosféricas: El grado de contaminación y humedad modifican la rigidez eléctrica y/o la resistividad superficial.
• Temperatura ambiente: A temperaturas extremas el interruptor diferencial altera su comportamiento.

Los fabricantes de interruptores diferenciales realizan ensayos normalizados para detectar los cambios en el comportamiento del interruptor diferencial, es el caso de la prueba realizada a una temperatura de –25ºC, donde el interruptor diferencial se encuentra sometido a esta temperatura y se comprueba que se mantengan las mismas prestaciones sin modificar las características nominales.

Además, los interruptores diferenciales son sometidos a la prueba de fiabilidad con una severidad climatológica en 28 días. Esta prueba consiste en verificar el correcto funcionamiento del interruptor diferencial a ciclos de temperatura y humedad extremos en 28 días. La prueba se basa sobre lo previsto en la Norma CEI 68-2-30 (95% humedad relativa a 45°C ). Después de la ejecución de los 28 ciclos diarios a valores variables prefijados de temperatura y humedad, se verifica la invariabilidad del tiempo de disparo del interruptor diferencial ante una corriente diferencial y una carga de 1.25IN.

El objetivo de estas pruebas radica en verificar la fiabilidad del aparato en el disparo diferencial cuando puede encontrarse puntualmente en condiciones ambientales previstas o predecibles a lo largo de su vida útil.

Objetivo

Tras observar los diferentes cambios que puede tener el interruptor diferencial, este artículo pretenda mostrar la evolución del comportamiento del interruptor diferencial en diferentes situaciones reales de cambios temperatura; así como mostrar los efectos de la electricidad, dependiendo del comportamiento del interruptor diferencial.

Efectos de la electricidad en el ser humano

La norma CEI-479-2 (Comisión Eléctrica Internacional) ha establecido unas curvas que delimitan las distintas zonas de peligro de la corriente eléctrica en función del tiempo que han sido recogidas por la UNE 20572-1:1997 y que se muestran en la figura 1.

td [ms]

1000

Zona 2                               Zona 3 Zona 4100

Zona 1

1010 100 1000 10000

Id [mA]

Figura 1

En la figura 1 se muestran las zonas limitadas según la corriente y el tiempo de permanencia en contacto con la electricidad. En cada una de las zonas las consecuencias del paso de corriente por el ser humano son diferentes:

Zona 1 : [I∆N < 10 mA] o [ tD < 20 ms]. En esta zona apenas se produce reacción en el cuerpo humano.

Zona 2: Las consecuencias de tener un contacto eléctrico en esta zona pueden suponer el umbral de no soltar, es decir, el agarrotamiento de los músculos.

Zona 3: Se puede sufrir contracciones musculares, paros respiratorios e incluso paradas temporales del corazón.

Zona 4: Es una zona de exclusión de trabajo, porque los trabajadores puedensufrir paradas cardíacas llegando a la fibrilación ventricular y llegar a sufrir quemaduras graves.

MATERIAL Y PROCEDIMIENTO DE TRABAJO

La realización del presente estudio requiere conocer y describir el protocolo de la toma de datos experimentales.

Toma de datos

Para la realización del estudio se han obtenido unos parámetros de forma experimental. La toma de datos se ha realizado a partir de diferentes interruptores diferenciales reales en funcionamiento en diferentes obras de construcción de Catalunya durante el año 2003.

Los parámetros obtenidos de forma experimental en el interruptor diferencial son el tiempo de disparo y la corriente de contacto que se obtenían a través de la aparato Profitest 0100S-II de la marca Gossen cedido por Mutua Egara. Se realizó la toma de datos in situ de cada uno de los interruptores diferenciales.

Los datos de la temperatura del interruptor diferencial son obtenidos a través del “Servei Meteorología de Catalunya” que muestra la temperatura del lugar donde se realizó la medición. Pero para poder determinar la temperatura a que se encontraba el interruptor diferencial se han tenido que realizar una serie de cálculos de transferencia de calor considerando los diferentes calores que afectan al interruptor diferencial:

Cálculo de la temperatura en el interruptor diferencial Hipótesis:

Para realizar los cálculos de la temperatura del interior del interruptor diferencial, se ha considerado una serie de hipótesis tales como régimen permanente, flujo laminar y convección natural del aire.

La estructura del interruptor diferencial se considera como un cuerpo adiabático, todo el cuerpo entero, ya que el material de que esta hecho, plástico, posee una conductividad térmica muy baja. También se ha considerado que la tapa protectora del interruptor diferencial forma parte del cuerpo del interruptor diferencial y por tanto se comporta como el interruptor diferencial, es decir, como adiabático.

Existe otro elemento que ha formado parte del cuerpo del interruptor diferencial, el apoyo de éste, en las obras los interruptores diferenciales suelen estar clavados en maderas. Por tanto se podría considerar la conductividad térmica producida por la madera al interruptor diferencial pero ésta es muy pequeña provocando que la calor de conducción a través de la madera sea muy pequeña y por tanto se ha despreciado, considerando la madera de apoyo como un cuerpo adiabático.

El interruptor diferencial es una fuente de calor ya que disipa una calor producida por el paso de corriente, pero a través de los información que los fabricantes de interruptores diferenciales han aportado, se ha considerado la calor disipada como nula al ser muy pequeña. La calor que disipa el interruptor diferencial es de 3,2 W; muy pequeña con respecto a los valores que pueden afectar la temperatura.

Se considera el coeficiente de transferencia de calor como constante en todas las medidas, es decir, h constante. Como se verá posteriormente, en el cálculo de la h, los valores a los que puede tender este coeficiente de transferencia varían según la temperatura ambiente y la temperatura de la pared, pero debido a que se han realizado varias pruebas con diferentes valores de temperaturas ambiente, los resultados obtenidos son poco distantes y por tanto se puede considerar un valor único de coeficiente de transferencia de calor, el valor del cual queda reflejado posteriormente a través de diferentes cálculos.

Calores existente en el interior del interruptor diferencial

Para mostrar los diferentes calores que afectan al interruptor diferencial se ha realizado el siguiente dibujo:

Qrad

Q*rad TID

Interruptor

diferencial

Tcielo

Tamb

hconv

Figura 2

Para la realización de los cálculos de la temperatura del interruptor diferencial se consideran tres tipos de calores:

• La calor de radiación producida por el sol “Qrad”.
• La calor de radiación térmica producida por una temperatura de cielo “Q*rad”.
• La calor de convección producida por la diferencia de temperaturas existente

entre el ambiente y el interruptor diferencial “Qconv”.

En las siguientes fórmulas se representan el calor que produce cada una de lasdiferentes calores:

Qrad = qrad · A

Q*rad = σ · ε · ( T4cielo - T4ID ) · A

Qconv = hconv · ( Tamb - TID ) · A

A continuación se mostrarán los diferentes valores que se han tomado en cada uno de los parámetros sobre el calculo de las calores:

• qrad = Calor incidenteaportada por el sol, dato obtenido a través de los valores aportados por el servicio de meteorología.
• A  =  Área  del  interruptor  diferencial,  área  que  es  afectada  por  el  calor  y representa al denominado cuerpo entero del interruptor diferencial. 0.2 m x 0.25 m = 0.05 m2
• σ = Constante de StefanBoltzmann, valor de σ = 5.67 x 108 W/m2·K4
• ε  = Emisividad, este valor proviene de unas tablas en las que el material aparece como elemento que define el valor de éste. En este caso ε = 0.9.
• Tcielo = temperatura que produce una radiación térmica al interruptor diferencial. 1.5 Tcielo = 0.0552 · Tamb , ambas temperaturas expresadas en [K]
• TID = temperatura que se tiene en el interruptor diferencial.
• hconv   =  coeficiente  de  transferencia  de  calor,  el  valor  de  éste  se  calcula posteriormente y se muestra todo el desarrollo de los valores. El valor que se utilizará en todo el cálculo para la temperatura del interruptor diferencial es de h = 50W/m2
• Tamb  = Valor de temperatura que se obtiene a partir de los datos del servicio meteorológico.

Aplicando la primera ley de la termodinámica, se obtiene una fórmula en la que se aplica un método iteratio y así se puede determinar lo más exactamente posible la temperatura del interior de interruptor diferencial.

qrad + σ · ε · ( T4cielo - T4ID ) + hconv · ( Tamb - TID ) = 0 Procedimiento de trabajo

Los datos a estudiar corresponden a obras en construcción, y además existe la peculiaridad de que se tomo los datos en diversos lugares geográficos con temperaturas diferentes.

Para obtener la evolución de los parámetros del interruptor diferencial se realizó un seguimiento con diferentes visitas al mismo interruptor diferencial a lo largo del año. En la siguiente tabla se muestran las características geográficas de la toma de datos y el periodo de cuando se realizó la toma de datos.

RESULTADOS

Los resultados obtenidos se muestran en diferentes tablas para cada uno de los interruptores diferenciales, mostrándose la evolución del comportamiento del interruptor diferencial a lo largo de los diferentes meses a través de la figura 1, de la norma CEI-479-2.

Para diferenciar los puntos que se han tomado en cada uno de los interruptores diferenciales se mostrarán los resultados en la gráfica a través de

Para el interruptor diferencial de 300 mA de Llagostera:

td [ms] 1000

10010 Id [m A]

10 100 1000 10000

td [ms]1000

10010 Id [mA]

10 100 1000 10000

Para el interruptor diferencial de 30 mA de St. Llorenç d’Hortons:

td [ms]1000

100 10                                                                       Id [mA]

10 100 1000 10000

td [ms] 1000

10010 Id [mA]

10 100 1000 10000

Para el interruptor diferencial de 30 mA de St. Cugat del Valles:

td [ms]1000

10010 Id [mA]

10 100 1000 10000

td [ms] 1000

10010 Id [mA]

10 100 1000 10000

Para el interruptor diferencial de 30 mA de Barcelona, zona Poble Nou:

td [m s]1000

10010 Id [mA]

10 100 1000 10000

td [ms]1000

100 Id [mA] 10

10 100 1000 10000

Como resumen a las pruebas realizadas se muestra el siguiente gráfico:

td [ms] 1000

10010 Id [mA]

10 100 1000 10000

En la gráfica resumen, se observa que la mayor concentración de puntos rojos es ligeramente superior al resto de puntos, lo que supone el hecho de que los interruptores medidos en las épocas calurosas, tiene un tiempo de disparo ligeramente superior al resto de medidas.

CONCLUSIONES

La alteración del comportamiento del interruptor diferencial ante cambios prolongados de temperatura ha sido demostrado en cada uno de los casos que se han ilustrado en las anteriores gráficas, lo que comporta unos cambios en protección ante el riesgo eléctrico. En las diferentes gráficas de resultado, el mayor tiempo de disparo se produce cuando se alcanza la mayor temperatura, que coincide con los puntos rojos de cada una de las gráficas que pertenece a la toma de datos de mayor temperatura.

Los interruptores diferenciales de las obras están sometidos a condiciones climáticas muy adversas ya que suelen estar a la intemperie y por tanto bajo los efectos directamente de la climatología y especialmente en las épocas de verano alcanzan durante la mayor parte de la jornada laboral temperaturas elevadas que fácilmente pueden superar los 40ºC, por tanto tal y como se indica en la norma IEC 947-1 y como se ha demostrado a través de las medidas realizadas se pierde protección debido a que las altas temperaturas producen un incremento del tiempo de disparo en el interruptor diferencial.

Tal y como se enunciaba en la norma IEC 947-1 aparece un aspecto importante sobre los cambios de comportamiento del interruptor diferencial al mantenimiento prolongado de temperaturas superiores de 40ºC.

Los fabricantes de interruptores diferenciales aplican una serie de pruebas para comprobar su funcionamiento en ciclos diarios de calor y humedad para comprobar la evolución del interruptor diferencial, esta prueba permite detectar el cambio del interruptor diferencial ante cambios puntuales de temperatura. Pero en cambio, no se realizan pruebas a interruptores diferenciales cuando permanecen durante largo tiempo a altas temperatura, por ejemplo durante una jornada laboral en el mes de agosto donde fácilmente puede permanecer durante varias horas a más de 40 ºC por lo que no se verifica el correcto funcionamiento del interruptor diferencial en estas condiciones climáticas.

Posibles causas del efecto de la temperatura en el tiempo de disparo del interruptor diferencial

La variación del tiempo de disparo con respecto a tener altas temperaturas podría basarse en la estructura del interruptor diferencial, aparición de modificaciones en la estructura que afectan al comportamiento del interruptor diferencial.

La constitución de un interruptor diferencial, puede dividirse en varios elementos:

• Captador (transformador toroidal).
• Bloque de tratamiento de la señal.
• Relé de medida y disparo.
• Disparador o accionador.

A través del hueco del núcleo se hacen pasar todos los conductores activos. En la siguiente figura 2 se muestra un esquema de la constitución del interruptor diferencial.

Figura 2

Este hecho de tener todos los elementos mecánicos puede ser el responsable de que haya un incremento del tD en las altas temperaturas porque puede aparecer una dilatación de alguno de sus elementos mecánicos y por tanto retardar el tiempo de disparo al producirse un mal funcionamiento del interruptor diferencial.

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