8/18/2019 Informe Interruptor Falla a Tierra

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Taller de Ingeniería –  Diseño y construcción interruptor falla a tierra 1

 Resumen —   El siguiente documento presenta lametodología de diseño de un interruptor de falla a tierra,cumpliendo con determinados requerimientos exigidos parasu funcionamiento. Se especifican los componentes quehacen parte del dispositivo, con una descripción de sufuncionamiento.

I.  I NTRODUCCIÓN 

Los accidentes eléctricos más usuales ocurren cuando una persona se hace parte del camino por donde la corrientefluirá a tierra. A este flujo se llama “falla a tierra”. Este tipo

de fallas se produce principalmente en instalacionesdeterioradas o de poco mantenimiento, cuando una persona

 bajo cualquier circunstancia, entra en contacto con las partes metálicas del equipo eléctrico que presente algunafalla de aislamiento, conexión física, o falla extraordinaria.

El contacto en el circuito eléctrico en tensión se puede producir de dos formas: directo o indirecto.

Se define como contacto indirecto el “contacto de personas

con masas puestas accidentalmente en tensión”. Tiene lugar

al tocar ciertas partes que habitualmente no están diseñadas para el paso de la corriente eléctrica, pero que pueden entraren tensión por algún imprevisto, como las carcasas de losequipos.

II.  MARCO TEORICO

Corri ente de fal la a tierra: La corriente de falla a tierra,también conocida como corriente de fuga, siempre retornaráa la fuente que la origina, ya sea a través del conductor detierra o por cualquier otro medio que le ofrezca menorresistencia, como por ejemplo, el cuerpo humano.

Causas de las fallas de aislamiento:  para asegurar la protección de las personas y la continuidad del suministrode energía, los conductores y los equipos con voltaje de unainstalación eléctrica están eléctricamente aislados respecto alas masas conectadas a tierra.

Riesgos debidos a una fall a de aislamiento: Una falla deaislamiento, sea cual sea su causa, presenta riesgos para: lavida de personas, el estado de los bienes, riesgos degeneración de incendios, la disponibilidad de la energíaeléctrica.

Una persona sometida a una tensión eléctrica, corre elriesgo de ser electrocutada. Dependiendo la magnitud de lacorriente que fluya a través de su cuerpo, esta persona

 puede sufrir: molestia o dolor, contractura muscular,quemaduras, o una electrocución.

Transformador de Corriente

Un transformador de corriente es un dispositivo, basado en principios y leyes electromagnéticas, de similar

funcionamiento al transformador de tensión. Estetransformador se utiliza básicamente para la elevación decorrientes. Por lo cual la relación de transformación devueltas, debe ser un mayor número de estas en elsecundario, en comparación con el primario.

Cabe recordar que nunca se debe dejar el circuito en elsecundario en circuito abierto, ya que no habrá corriente enel circuito, y se perderá la calibración que s epoda realizar,ya que se presentara un flujo residual capaz de hacercambiar la curva de histéresis propia del núcleo, haciéndolomagnetizar y saturar más rápido en el momento que seconecte el secundario.

III.  DISEÑO

Para el desarrollo de esta práctica se procedió a realizar eldiseño, de un transformador de corriente mediante el cual sedetectaran los 10 mA y así abrir el circuito para proteger alusuario, que es en ultimas lo mas importante a la hora dehablar de riesgos eléctricos.

Práctica 2: Diseño y construcción dispositivo de protección falla a tierra

Christian David Luna 223193, Omar Leonardo Ortiz 223196, Jeisson Julián Ayala 223202.

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El circuito básico del que partimos para el desarrollo eimplementación del detector, interruptor de fallas a tierra escomo se muestra a continuación:

Fig.1 Esquema principal del circuitoComo podemos observar el circuito consta de un toroide,cuya función principal es la detección de una corriente de10mA, este será a travesado por un cable en su interior, que

 para este caso sería un primario.

A continuación se pone una etapa de filtrado para evitar elruido tan intenso que posee la señal, y no permite observarclaramente que tensión y/o corriente son inducidas en elsecundario.

Después de esta etapa, se adiciona una etapa deamplificación de la señal puesto que los dispositivos con losque se cuentan son diodos y su funcionamiento se da a

 partir de los 0,6 voltios. Así mismo se debe rectificar laseñal pues se necesita que el elemento de corte quedeabierto o cerrado según sea el caso y no se esté abriendo ycerrando cosa que sucedería con la implementación directaen corriente alterna.

Estas constituyen básicamente las etapas del circuito que senecesitan para obtener los resultados y los requerimientosnecesarios para el proyecto.

Toroide:

Se realizó la caracterización del núcleo de ferrita para locual se tuvo que determinar las medidas específicas y lareluctancia propia del núcleo que luego seria utilizada parahallar datos de inductancia, numero de vueltas y relación detransformación del toroide, el cual también puede serconsiderado como un transformador de corriente.

Los resultados obtenidos son los siguientes:

Se eligió el núcleo de ferrita mostrado en la figura 2.

Fig.2 Medidas del toroide

Material: Polvo FE-NTH033

Los cálculos realizados para hallar la permeabilidad delmaterial fueron los siguientes:

= 2 = 2(6.525) = 40.99 

Á = = 3.95 12.1= 0.000047795 

=

Á=

0.04099

60  0.000047795

= 11.34957810 

Para la caracterización del toroide, y el punto donde este sesaturaba se obtuvieron las siguientes curvas, figura 3

Fig. 3. Saturación del núcleo

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La tensión y corriente máxima que soporta el torioide sinque su onda se sature figura 4.

Fig. 4. Valores de saturación del núcleo. Tensión (izq),Corriente (der).

Los resultados anteriores nos indican que no se debesobrepasar, dicha corriente pues la deformación de la ondaserá algo que distorsionara el correcto funcionamiento delcircuito.

 Filtro:

Para diseñar el filtro de la señal de salida del transformadorde corriente se hizo basándonos en las siguientes imágenes,a partir de ellas se hizo el diseño y se determinó lafrecuencia de corte:

Ser halló una frecuencia de corte de 10k

 Amplificación

Básicamente el circuito detector de corrientes de falla atierra es como se muestra en la siguiente figura:

Se debe amplificar la señal puesto que la salida de tensiónes de apenas uno 20 mV, y lo necesario para hacerfuncionar el triac son unos 0,6 V

IV.  SIMULACIÓN Y ANÁLISIS DE RESULTADOS 

Para lograr el objetivo a la salida del transformador toroidalse utiliza una etapa de filtro para evitar el ruido encontradoen la señal de salida en el secundario del transformador,inicialmente se tuvo complicaciones al no encontrar la

 potencia necesaria para generar los 0,7V en el dispositivoactuador, entonces se intentó poner otra etapa electrónicaque elevara la corriente a la entrada del Triac, entonces a

 pesar de que la corriente incrementó su valor la etapa lo lolograba producía una caíd de tensión que evitaba quellegaran los 0,7V a la entrada del Triac. Así entonces seoptó por volver a la etapa de filtro inicial y se cambió elamplificador operacional LM741 por un LM748con unconsumo menor y una entrega más eficiente de potencia.

Luego, la señal que venía con un ruido con la frecuencia yaindicada fue anulado por medio del filtro, de una maneraeficiente ya que la caída de tensión para lograrlo es demenos del 3%, logrando así a la salida de la señal unatensión de 1.01V y una corriente de 77,55mA.

Cur    R1

1kΩ

R2

100kΩ

R31.2kΩ

C1

0.1µF

10%

C2

0.1µF

10%

U1

LM741CM

3

2

4

7

6

51

XSC1

 A B

Ext Trig+

+

 _ 

 _  +  _ 

XFG1

XMM1

XMM2

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Se procede entonces a realizar el montaje funcional en lasimulación al ver los resultados de la misma, sin embargo alrealizarlo se hace evidente que la señal no pierde el ruidoque tenía inicialmente y la señal que sale al dispositivoactuador no tiene la suficiente tensión para poder activar eldispositivo.

V.  CONCLUSIONES 

Es importante tener en cuenta los datasheet de loscomponentes electrónicos a utilizar en el montaje para

 poder elegir aquel que sea más eficiente en la aplicaciónque se desea darle.

El comportamiento de los dispositivos en el simuladorresulta ser muy ideal en cuanto a la desaparición de la señalsobre la frecuencia de corte del ruido, al realizar el montajereal los resultados obtenidos fueron diferentes.

VI. 

REFERENCIAS 

Tomado de:

  “Maquinas Electricas y Ttransformadores”, Bhag

Guru, 3 ed. Pag 270, 271