ES2308610T3 - Interruptor diferencial residual y nucleo magnetico para un interruptor diferencial residual. - Google Patents

Abstract

Interruptor diferencial residual sensible a corriente alterna con un transformador de corriente suma que contiene un núcleo magnético dulce (2) de una aleación nanocristalina a base de hierro, así como devanados diferenciales (4, 5) aplicados sobre el núcleo magnético (2), y un devanado de medida (7), y con un elemento de conmutación (3) unido con el devanado de medida (7), caracterizado porque el núcleo magnético (2) presenta una permeabilidad máxima de más de 350.000 y una relación de remanencia Br/Bs de más de 0,7.

Description

Interruptor diferencial residual y núcleo magnético para un interruptor diferencial residual.

La invención se refiere a un interruptor diferencial residual sensible a corriente alterna con un transformador de corriente suma que presenta un núcleo magnético dulce de una aleación nanocristalina a base de hierro, así como devanados diferenciales aplicados sobre el núcleo magnético y un devanado de medida, y con un elemento de conmutación unido con el devanado de medida. Además, la invención se refiere a un núcleo magnético para un interruptor diferencial residual sensible a corriente alterna.

Los interruptores diferenciales residuales (interruptores DR) se utilizan desde hace muchos años tanto para la protección de maquinaria como para la protección personal y han aumentando claramente la seguridad eléctrica. Mientras que para la protección de maquinaria se utilizan interruptores DR con corrientes de desconexión de 300 a 500 mA, para la protección personal se utilizan interruptores DR con corrientes de desconexión claramente más pequeñas de 30 mA.

Los interruptores DR se construyen como elementos puramente pasivos en los que una corriente de la red de alimentación se lleva a un consumidor por un primer devanado y la corriente del consumidor se lleva a la red de alimentación por un segundo devanado de un núcleo magnético y los dos devanados están diseñados como devanados diferenciales. Por tanto, el núcleo magnético trabaja como transformador de corriente suma. En funcionamiento normal sin fallos, la corriente suma está considerando la señal cero y el núcleo magnético no se magnetiza. En caso de fallo, la corriente suma es diferente de cero, de manera que el núcleo magnético se magnetiza y en un devanado de medida se induce un voltaje. Mediante el voltaje inducido se dispara un relé que interrumpe el circuito de corriente al consumidor.

Por tanto, la magnetización del núcleo magnético producida por la corriente de desconexión debe ser suficiente para hacer posible una desconexión del relé mediante el voltaje inducido en el devanado de medida. Sin embargo, también se requiere además una construcción compacta. Finalmente, la funcionabilidad debe garantizarse durante un intervalo de temperatura de normalmente -25ºC a +80ºC. Por tanto, para el núcleo magnético se exige el requisito de una constancia suficientemente alta de las propiedades magnéticas. Por tanto, resultan altas exigencias para el material magnético usado del núcleo magnético.

Por el documento EP 392 204 A1 se conoce utilizar núcleos magnéticos de una aleación a base de hierro con un contenido de hierro de más del 60% de átomos cuya estructura está constituida por más del 50% de granos finamente cristalinos con un tamaño de grano inferior a 100 nm y que presentan una inducción de saturación de más de 1,1 T, así como una relación de remanencia Br/Bs inferior a 0,7, en interruptores diferenciales residuales. Se prefieren núcleos magnéticos con una relación de remanencia Br/Bs entre 0,4 y 0,7, es decir, con un denominado bucle de histéresis "redondo". La relación de remanencia da la relación de remanencia Br respecto a la inducción de saturación Bs. Según un ejemplo de realización, los núcleos magnéticos presentan una permeabilidad inferior a 120.000.

Además, los interruptores DR se adaptan a diferentes formas de corriente residual. Así, generalmente se diferencia entre interruptores DR sensibles a corriente pulsada y sensibles a corriente alterna. Mientras que los interruptores DR sensibles a corriente alterna se utilizan en general en redes de corriente alterna, los interruptores diferenciales residuales sensibles a corriente pulsada están previstos para reaccionar a corrientes residuales unipolares.

Dependiendo del caso de aplicación también se utilizarán diferentes materiales magnéticos.

Para interruptores DR sensibles a corriente pulsada se utilizan núcleos magnéticos con bucle de histéresis plano. Por el documento EP 0 563 606 A2 se conocen transformadores de corriente para interruptores diferenciales residuales sensibles a corriente pulsada que presentan una relación de remanencia Br/Bs inferior a 0,3 y están constituidos por una aleación nanocristalina a base de hierro. Además, para este fin de utilización se conoce el uso de aleaciones cristalinas de permaleación.

Para interruptores diferenciales residuales sensibles a corriente alterna se utilizan casi exclusivamente desde hace décadas núcleos toroidales de aleaciones cristalinas de permaleación con un contenido de níquel entre el 45 y el 80%. Éstas presentan en el punto de funcionamiento del interruptor DR, que se caracteriza por la intensidad de campo producida por la corriente de desconexión predeterminada, una permeabilidad de hasta 350.000, encontrándose la relación de remanencia entre 0,3 y 0,7.

Estos núcleos magnéticos de permaleación son muy adecuados para la utilización en interruptores DR sensibles a corriente alterna. Sin embargo, es desventajoso el alto contenido de níquel ya que el precio del níquel bruto ha subido mucho últimamente. Por tanto, existe el deseo de alternativas más rentables.

Por tanto, es objetivo de la invención especificar un núcleo magnético para uso en interruptores diferenciales residuales sensibles a corriente alterna que sea más rentable que las aleaciones de permaleación usadas hasta la fecha, especialmente que no presente ninguna proporción de níquel o sólo una pequeña, y permita una sustitución de los núcleos magnéticos de permaleación sin adaptaciones o sólo con pequeñas adaptaciones del interruptor diferencial residual. Otro objetivo consiste en especificar un interruptor diferencial residual correspondiente.

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Los objetivos se alcanzan mediante un interruptor diferencial residual sensible a corriente alterna o un núcleo magnético con las características especificadas en las reivindicaciones independientes correspondientes.

El interruptor DR presenta un transformador de corriente suma que contiene un núcleo magnético dulce de una aleación nanocristalina a base de hierro. Sobre el núcleo están aplicados de manera conocida devanados diferenciales y un devanado de medida y el devanado de medida está unido con un elemento de conmutación. El núcleo magnético presenta según la invención una permeabilidad máxima de más de 350.000 y una relación de remanencia Br/Bs de más de 0,7.

Se ha mostrado que los núcleos magnéticos con una alta relación de remanencia de más de 0,7, que hasta la fecha no se tomaron en consideración para el uso en interruptores diferenciales residuales, en combinación con una alta permeabilidad de más de 350.000 son extraordinariamente adecuados para la utilización en interruptores diferenciales residuales sensibles a corriente alterna y pueden sustituir los núcleos de permaleación usados hasta la fecha.

Los núcleos magnéticos según la invención son además más rentables que los núcleos de permaleación con altos contenidos de níquel. Sin embargo, debido a los extraordinarios valores magnéticos, también pueden usarse además núcleos magnéticos más pequeños y más ligeros que utilizando aleaciones de permaleación. Normalmente puede lograrse una reducción de peso del 40% en comparación con los núcleos de permaleación.

Los núcleos magnéticos superan claramente a los núcleos propuestos en el documento EP 0 392 204 A1 para la utilización en interruptores DR en cuanto a los valores de permeabilidad y también presentan una mayor relación de remanencia. Al mismo tiempo, los núcleos magnéticos según la invención satisfacen la baja dependencia de la temperatura exigida a los valores magnéticos en el intervalo de temperatura exigido de -25ºC a +80ºC.

Los núcleos magnéticos pueden presentar en una forma de realización una permeabilidad de más de 400.000 y/o una relación de remanencia de más de 0,8. Estos valores magnéticos ventajosos repercuten especialmente de forma favorable en el tamaño de construcción de los núcleos utilizados.

Las propiedades magnéticas del núcleo magnético y su dependencia de la temperatura se ajustan mediante un tratamiento térmico bajo gas protector e influencia de campo magnético. Parámetros que deben considerarse especialmente son en este caso la temperatura y la duración del tratamiento térmico para ajustar la estructura nanocristalina y la temperatura de un tratamiento térmico posterior en el campo magnético. El tratamiento térmico para ajustar la estructura nanocristalina puede realizarse a una temperatura entre 550ºC y 620ºC y concretamente durante una duración de, por ejemplo, 20 a 80 minutos. El posterior tratamiento térmico en un campo magnético transversal puede realizarse durante una duración de 20 a 150 minutos a una temperatura de 360ºC a 400ºC. Pueden realizarse núcleos magnéticos con una permeabilidad de más de 600.000. Los parámetros adecuados pueden determinarse experimentalmente para la composición de la aleación y la geometría del núcleo respectivamente elegidos con pocos experimentos.

Las aleaciones nanocristalinas a base de hierro utilizadas presentan una estructura que está constituida por más del 50% de granos finamente cristalinos con un tamaño de grano inferior a 100 nm. Además de más del 60% de átomos de hierro, la aleación todavía puede contener del 0,5 al 2% de átomos de cobre, del 2 al 5% de átomos de al menos uno de los metales niobio, wolframio, tántalo, circonio, hafnio, titanio y/o molibdeno, del 5 al 14% de átomos de boro, así como del 14 al 17% de átomos de silicio.

El núcleo magnético y el número de espiras del bobinado pueden combinarse de manera que con una corriente residual predeterminada (corriente de desconexión), que produce una desconexión del relé, se logre una excitación del núcleo magnético para la que la permeabilidad ascienda a más de 350.000, especialmente a más de 400.000. Por tanto, a una corriente residual predeterminada para desconectar el relé de, por ejemplo, 30 mA se consigue mediante el dimensionamiento que en este punto de funcionamiento se alcancen al menos los valores magnéticos mencionados y se garantice una desconexión segura del interruptor DR.

Si el núcleo magnético presenta un máximo de permeabilidad a una intensidad de campo entre 5 y 15 mA/cm, entonces un núcleo de permaleación en un interruptor DR puede intercambiarse de forma especialmente sencilla por un núcleo según la invención ya que un núcleo de permaleación en este intervalo de intensidad de campo también presenta un máximo de la permeabilidad y, por tanto, el punto de funcionamiento preferido de ambos núcleos se encuentra a intensidades de campo comparables.

La invención se describe a continuación en más detalle mediante un ejemplo de realización y el dibujo. Muestran:

la fig. 1: un esquema de conexiones de un interruptor DR

la fig. 2: la curva de histéresis de un núcleo magnético según la invención y de un núcleo de permaleación según el estado de la técnica,

la fig. 3 la dependencia de la permeabilidad de la intensidad de campo para un núcleo magnético según la invención y un núcleo de permaleación según el estado de la técnica,

la fig. 4 la dependencia de la temperatura del voltaje de salida de un interruptor DR con un núcleo magnético según la invención y con un núcleo de permaleación según el estado de la técnica.

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La figura 1 muestra un esquema de conexiones de un interruptor 1 DR. El interruptor 1 DR contiene como elemento esencial un núcleo 2 magnético bobinado y un relé 3 como elemento de conmutación. Sobre el núcleo 2 magnético están aplicados un primer devanado 4 y un segundo devanado 5 como devanados diferenciales. Respectivamente, un primer extremo de los devanados 4, 5 está unido con los conductores L1 o N de una red de suministro de corriente. Además, un segundo extremo de los devanados 4, 5 está unido respectivamente con un consumidor 6. El consumidor 6 está unido además con el conductor a tierra PE.

Por tanto, tiene lugar un flujo de corriente del conductor L1 por el primer devanado 4 al consumidor 6 y del consumidor 6 por el segundo devanado 5 al conductor N. Las corrientes que circulan en los devanados 4, 5 son de igual valor y el núcleo 2 magnético no se excita debido a la formación de los devanados 4, 5 como devanados diferenciales. Si ahora se produce un fallo, por ejemplo, una persona toca un componente portador de corriente del consumidor 6, entonces las corrientes en los devanados 4, 5 son de distinto valor debido a que una corriente parcial circula por la persona. Esto tiene como consecuencia una excitación residual y, por tanto, una magnetización del núcleo 2 magnético, induciéndose ahora en un devanado 7 de medida un voltaje. Debido al voltaje inducido, en el circuito secundario se induce una corriente que desconecta el relé 3 y se interrumpe el circuito de corriente al consumidor 6.

La desconexión del relé 3 debe realizarse a una corriente residual predeterminada de, por ejemplo, 30 mA para la protección personal. Por tanto, una diferencia de 30 mA en las corrientes que circulan por los devanados 4, 5 debe tener como consecuencia una inducción de voltaje en el devanado 7 de medida que induce una corriente suficiente para una desconexión del relé 3. Mediante la utilización según la invención de un núcleo 2 magnético de una aleación nanocristalina a base de hierro con una permeabilidad de más de 350.000 y una relación de remanencia de más de 0,7 puede satisfacerse este requisito con núcleos magnéticos rentables y un uso de material comparativamente menor.

Un núcleo 2 magnético según la invención se fabrica a partir de una fina banda de una aleación a base de hierro inicialmente amorfa como núcleos toroidales conteniendo todavía la aleación a base de hierro, además de más del 60% de átomos de hierro, del 0,5 al 2% de átomos de cobre, del 2 al 5% de átomos de al menos uno de los metales niobio, wolframio, tántalo, circonio, hafnio, titanio y/o molibdeno, del 5 al 14% de átomos de boro, así como del 14 al 17% de átomos de silicio. El núcleo magnético se somete a un tratamiento térmico para ajustar la estructura nanocristalina, por ejemplo, a una temperatura de 580ºC durante un tiempo de 30 minutos. A continuación se realiza otro tratamiento térmico en un campo magnético transversal a, por ejemplo, 380ºC durante un tiempo de también 30 minutos.

En la fig. 2 se representa la dependencia de la inducción B de la intensidad de campo H y concretamente en la curva C1 para un núcleo magnético según la invención con una relación de remanencia Br/Bs de más de 0,7 y, por tanto, bucle casi con forma de Z y para un núcleo de permaleación habitual en el comercio con un bucle redondo. Mediante la relación de remanencia Br respecto a la inducción de saturación Bs se da un primer criterio de diferenciación de los núcleos según la invención en comparación con los núcleos usados hasta la fecha para interruptores DR.

En la figura 3 se representa la evolución de la permeabilidad con la intensidad de campo H y concretamente en la curva C3 para el núcleo magnético según la invención de una aleación nanocristalina a base de hierro y en la curva C4 para el núcleo de permaleación habitual en el comercio. Una comparación muestra que el núcleo magnético según la invención presenta una permeabilidad esencialmente mayor que el núcleo de permaleación. En consecuencia, a idéntico bobinado, para lograr el mismo voltaje de inducción en el devanado de medida del interruptor DR mediante la corriente residual es suficiente una sección transversal de hierro correspondientemente más pequeña del núcleo magnético nanocristalino.

Además, debe tenerse en cuenta que el máximo de la permeabilidad en ambos núcleos se produce a aproximadamente la misma intensidad de campo. Mediante esto se facilita la sustitución del núcleo de permaleación por un núcleo según la invención. En principio no se requiere un nuevo dimensionamiento, pero debido al posible ahorro de material es recomendable.

En la figura 4 se representa con la dependencia de la temperatura del voltaje de salida medido en el devanado 7 de medida otro parámetro importante para el interruptor DR y concretamente en la curva C5 para un interruptor DR con el núcleo magnético nanocristalino según la invención y en la curva C6 para el núcleo de permaleación. Ambos núcleos muestran en este caso suficiente constancia del voltaje de salida dentro del intervalo de temperatura exigido de -25ºC a +80ºC.

Del ejemplo de realización es evidente que los núcleos magnéticos de una aleación nanocristalina a base de hierro y las propiedades magnéticas especificadas pueden utilizarse ventajosamente en interruptores DR sensibles a corriente alterna y pueden sustituirse directamente sin problemas los núcleos de permaleación utilizados para este fin desde hace décadas. Especialmente también puede lograrse una reducción considerable de peso, volumen y costes.

Claims (10)

1. Interruptor diferencial residual sensible a corriente alterna con un transformador de corriente suma que contiene un núcleo magnético dulce (2) de una aleación nanocristalina a base de hierro, así como devanados diferenciales (4, 5) aplicados sobre el núcleo magnético (2), y un devanado de medida (7), y con un elemento de conmutación (3) unido con el devanado de medida (7), caracterizado porque el núcleo magnético (2) presenta una permeabilidad máxima de más de 350.000 y una relación de remanencia Br/Bs de más de 0,7.

2. Interruptor diferencial residual según la reivindicación 1, caracterizado porque el núcleo magnético presenta una permeabilidad máxima de más de 400.000.

3. Interruptor diferencial residual según una de las reivindicaciones precedentes, caracterizado porque el núcleo magnético (2) presenta una relación de remanencia Br/Bs de más de 0,8.

4. Interruptor diferencial residual según una de las reivindicaciones precedentes, caracterizado porque la aleación nanocristalina a base de hierro presenta una estructura que está constituida por más del 50% de granos finamente cristalinos con un tamaño de grano inferior a 100 nm y la aleación a base de hierro todavía contiene, además de más del 60% de átomos de hierro, del 0,5 al 2% de átomos de cobre, del 2 al 5% de átomos de al menos uno de los metales niobio, wolframio, tántalo, circonio, hafnio, titanio y/o molibdeno, del 5 al 14% de átomos de boro, así como del 14 al 17% de átomos de silicio.

5. Interruptor diferencial residual según una de las reivindicaciones precedentes, caracterizado porque con una corriente de desconexión predeterminada se logra una excitación del núcleo magnético (2) para la que la permeabilidad asciende a más de 350.000, especialmente a más de 400.000.

6. Interruptor diferencial residual según una de las reivindicaciones precedentes, caracterizado porque el núcleo magnético (2) presenta un máximo de permeabilidad a una intensidad de campo entre 5 y 15 mA/cm.

7. Núcleo magnético para un transformador de corriente suma de un interruptor diferencial residual (1) sensible a corriente alterna en el que el núcleo magnético (2) está constituido por una aleación nanocristalina a base de hierro y el núcleo magnético (2) presenta una permeabilidad máxima de más de 350.000, así como una relación de remanencia Br/Bs de más de 0,7.

8. Núcleo magnético según la reivindicación 7, caracterizado porque el núcleo magnético (2) presenta una permeabilidad máxima de más de 400.000.

9. Núcleo magnético según la reivindicación 7 u 8, caracterizado porque el núcleo magnético (2) presenta una relación de remanencia de más de 0,8.

10. Núcleo magnético según una de las reivindicaciones 7 a 9, caracterizado porque la aleación nanocristalina a base de hierro presenta una estructura que está constituida por más del 50% de granos finamente cristalinos con un tamaño de grano inferior a 100 nm y la aleación a base de hierro todavía contiene, además de más del 60% de átomos de hierro, del 0,5 al 2% de átomos de cobre, del 2 al 5% de átomos de al menos uno de los metales niobio, wolframio, tántalo, circonio, hafnio, titanio y/o molibdeno, del 5 al 14% de átomos de boro, así como del 14 al 17% de átomos de silicio.