Quadres elèctrics

Els diferents quadres que hi ha en el mercat cobreixen totes les necessitats que poden presentar-se per a la protecció dels equips i també compleixen les normes establertes per al tipus de circumstàncies a les quals es destinen. Podem fer una classificació en funció del següent:

• Envoltant
• Material
• Aplicació a utilitzar

Segons l’envoltant utilitzat en l’elaboració del quadre, podem dividir-los en: armaris, pupitres i caixes. També hi ha equips que es munten sense caixa protectora (figura), és a dir, quadres elèctrics instal·lats a l’aire, en els quals no s’impedeix el contacte amb els elements quan aquests es troben sota tensió. Han d’estar situats en llocs d’accés permès únicament al personal encarregat de la revisió i manteniment, amb la qual cosa evitem el risc de contactes accidentals.

En aquest tipus de quadres hi ha la possibilitat d’acumulació de brutícia, pols, aigua i qualsevol altre element que pogués espatllar-los, per la qual cosa han d’instal·lar-se en llocs i sota circumstàncies en què puguin evitarse tots els efectes anteriorment esmentats.

Atenent el material emprat en la fabricació dels quadres elèctrics, aquests es poden dividir-los en tres tipus: metàl·lics,termoplàstics i de polièster.

Normalment estan fabricats en xapa d’acer, amb elements que en reforcen l’estanquitat segons les necessitats que actualment exigeix la indústria i també estan pensats per resoldre els muntatges que requereixin la instal·lació d’aparellatge i dispositius pesats. N’hi ha dos models típics, ben diferenciats, depenent de si la seva instal·lació és mural (els quals se subjecten a la paret), que també es denominen cofres i s’instal·len sobre el sòl, que són més grans i més pesats que els anteriors.

Els quadres d’instal·lació mural se subjecten a la paret mitjançant espàrrecs. Els armaris que s’instal·len sobre el sòl poden arribar a tenir dimensions tan grans que permetin l’accés a l’interior del personal que instal·la tots els elements, la revisió i verificació de tots els aparells que en formen part, i també de les tasques de reparació i manteniment que hagin de ferse. Es fan servir generalment en instal·lacions industrials i solen dur una porta de vegades amb pany per impedir l’accés a tota persona aliena a les

tasques d’instal·lació o manteniment dels armaris elèctrics. Poden venir ja encaixats pel fabricant, encara que el tècnic electricista no tindrà cap problema a fer el muntatge mecànic si fos necessari. Un altre tipus d’armaris metàl·lics que també s’instal·len sobre el sòl són els denominats pupitres de comandament, que podem observar en la figura.

En tots els models d’armaris metàl·lics és obligatòria la protecció dels operaris mitjançant el que es coneix com a continuïtat de les masses (figura). És a dir, la connexió, o millor seria dir interconnexió, de tots els elements metàl·lics a terra.

D’aquesta manera s’aconsegueix una connexió equipotencial, és a dir tots els elements de la instal·lació estan al mateix potencial o tensió pel que fa a massa o terra. L’equipotència constitueix un mitjà molt important per reduir el risc d’incendi, d’explosió i els riscos de mort pel xoc elèctric produït en l’espai que es vol protegir.

Hi ha diferents tipus d’armaris metàl·lics depenent de l’estanquitat que presentin. N’hi ha de tancats, que estan fabricats en xapa d’acer i recoberts d’una xapa protectora antioxidant i de pintura o esmalt d’assecat al forn; n’hi ha d’estancs que a més de tot l’anterior, impedeixen del tot l’entrada de pols i d’aigua i n’hi ha de blindats que es construeixen en fosa i estan protegits amb pintura; utilitzem aquests últims quan hem d’instal·lar-los en ambients oxidants o àcids, ja que estan fabricats amb materials als quals se’ls aplica un tractament anticorrosiu capaç de suportar l’acció d’aquestes atmosferes. Finalment, els quadres antideflagrants que protegeixen contra l’explosió, contra la pressió i contra gasos la temperatura d’inflamació dels quals sigui superior a 200 ºC .

L’àmbit d’aplicació dels quadres termoplàstics cobreix des de la simple derivació de cables fins a la protecció de components electrònics. En el mercat hi ha una gran quantitat de models amb dimensions perfectament estudiades i diferents versions: amb tapes o ports transparents, fons amb semitroquelats i sense per al pas de cables, dispositius per a la fixació de material, etc.

Igual que els metàl·lics, els quadres elèctrics fabricats amb polièster solen ser estancs en més o menys proporció, i estan fabricats amb materials plàstics com ara el polièster, i fins i tot alguns d’ells van reforçats amb fibres que els fan més resistents.

Són els quadres més indicats per a tipus d’ambients molt concrets, però sobretot, quan a l’atmosfera hi ha presents gasos, humitats o altres elements que podrien espatllar els dispositius de la instal·lació. La col·locació és similar a la dels quadres metàl·lics.

Depenent de com els apliquem i els fem servir, els quadres elèctrics existents en el mercat, estan pensats, per resoldre les funcions següents:

• Distribució elèctrica.
• Protecció i mesura.
• Enllumenat públic.
• Caixa general de protecció.
• Armaris per a comptadors d’aigua.
• Armaris per a comptadors de gas.
• Automatismes.
• Centralització de comptadors.
• Electrònica, veu i dades.
• Control i comandament.
• Accessoris per a la instal·lació.
• Climatització.
• Telecomunicacions.

Lògicament, de tots aquests quadres disponibles en el mercat són merament elèctrics, per exemple, els de la figura.

Un quadre elèctric no solament està composat per l’envoltant, sinó que és un conjunt format per tots els elements i dispositius que el constitueixen (contactors, relés, temporitzadors, etc.), el funcionament dels quals està clarament indicat en l’esquema de la instal·lació. Abans de muntar l’equip haurem de triar cadascun dels components que el constituiran, cosa que implica la utilització d’uns elements denominats auxiliars, que es classifiquen en dos grups: elements auxiliars de muntatge i elements auxiliars de connexió (que faciliten el muntatge).

Els elements auxiliars de muntatge són els encarregats de facilitar el muntatge mecànic i el posterior cablatge elèctric d’un automatisme en l’interior d’un quadre o armari elèctric. Hi destaquen les plaques de muntatge i els carrils per suportar els dispositius.

En el mercat hi ha una gamma àmplia de plaques de muntatge (figura) que poden incorporar-se directament a les fixacions de l’armari o quadre elèctric; les més comunes són:

• Placa metàl·lica fabricada en acer.
• Placa aïllant en baquelita.
• Placa perforada de xapa d’acer galvanitzada i proveïda de trepants.
• Placa universal per a la fixació ràpida de l’aparellatge.

Els carrils per suportar de dispositius són elements auxiliars del quadre elèctric que, subjectats mitjançant cargols al panell o bastidor del quadre, s’utilitzen per al suport i fixació d’aparellatge en quadres i armaris elèctrics. Els elements tenen un sòcol de la mateixa mesura que el carril, i exercint una petita pressió de l’element sobre el carril, aquest s’enganxa per mitjà d’una pestanya, que es desplaça per l’acció que realitza un petit moll allotjat en la base del dispositiu. N’hi ha de diferents models (figura) depenent de les necessitats.

Els elements auxiliars de connexió són els encarregats de facilitar el muntatge o cablatge elèctric d’un automatisme en l’interior d’un quadre elèctric. La seva funció consisteix a canalitzar tots els cables que es connectin als dispositius. Hi destaquen les canaletes perforades i els terminals i borns de connexió.

Fem servir les canaletes perforades per dur a terme el cablatge de la instal·lació dels equips, tant en forma vertical com en horitzontal. En el interior d’aquestes canaletes, s’introdueixen els diferents conductors que formen la instal·lació. Després de realitzar el connexionat dels equips, la canaleta es tapa, amagant els cables. Hi ha diferents grandàries de canaletes, depenent de la quantitat dels conductors a allotjar i de la secció d’aquests. Aquest sistema facilita la tasca de manteniment, ja que l’operari només ha de retirar la tapa de la canaleta per revisar la instal·lació.

Els terminals o punteres són elements de connexió que col·loquem al final del cable. Consisteixen en unes peces metàl·liques amb diferents formes en un extrem, i en l’altre duen un orifici que és per on s’introdueix el cable que subjectem al terminal mitjançant pressió o soldadura. Com el seu nom indica, els borns de connexió o regletes de connexió, serveixen per connectar els conductors del quadre als dispositius instal·lats. Els muntem sobre carrils metàl·lics (figura) i duen dos cargols de connexió per inserir el cable.

La normativa existent a Espanya per als quadres elèctrics de baixa tensió, és la UNE-EN 60439-1 (Conjunts d’aparellatge de baixa tensió), part 1 (Requisits per als conjunts de sèrie (CS) i els conjunts derivats de sèrie (CDS).

Disposar, per tant, de conjunts provats segons la norma implica poder treballar amb una base segura per al desenvolupament posterior de noves solucions.

Els denominats conjunts CS i CDS poden entendre’s de la manera següent:

• CS: conjunt d’aparellatge de baixa tensió, construït conforme a un tipus assajat segons la norma.
• CDS: conjunt d’aparellatge de baixa tensió, que deriva d’un CS completament assajat encara que amb parts modificades dels assajos tipus (per extrapolació, per càlcul) encara que han de complir els assajos corresponents.

De fet, els armaris que realment es fan servir tant en distribucions generals com secundàries responen al tipus CDS.

Això significa que el constructor del quadre, adquirint els diferents components (envoltant, jocs d’equipament, interruptors de potència, de tall en càrrega o jocs d’embarrats), pot efectuar únicament les proves tipus més simples, podent realitzar aquelles més crítiques, de curtcircuit i de sobretemperatura, de manera indirecta, per extrapolació o càlcul.

El quadre elèctric és un component bàsic en el conjunt de la instal·lació elèctrica. L’elecció de les característiques que ha de tenir requereix una anàlisi molt detallada de les condicions de servei i de la fiabilitat que ha d’assegurar-se. Per a això, han de tenir-se en compte les importants sol·licitacions mecàniques i elèctriques que tenen lloc en un espai tan limitat.

Els aspectes que hem de considerar i que condicionen de manera determinant la definició geomètrica del quadre són diversos: ambientals, elèctrics, tèrmics i mecànics.

La norma UNE EN 60439-1 defineix les condicions normals de servei indicant valors ambientals límit dintre dels quals ha d’assegurar-se el correcte funcionament. Hem de prendre en consideració: la temperatura ambient, la humitat relativa, l’altitud sobre el nivell del mar, i el grau de contaminació.

La part de l’aparellatge destinada a assegurar la protecció de l’equipament elèctric contra les influències externes i de l’entorn, realitza també la funció primària de protecció de les persones contra contactes directes (REBT ITC BT-24).

El grau de protecció que la norma UNE 20324 descriu per assegurar la protecció de les persones contra els contactes directes és similar a IP 2X. La primera xifra es refereix a la protecció contra la penetració de cossos estranys i contra l’accés per part de la persona a les parts actives contingudes a l’envoltant.

El significat de la primera xifra és assegurar la protecció de les persones. Durant el funcionament pot ser important controlar el valor de la magnitud elèctrica en joc (tensió, corrent) o realitzar el comandament manual d’un determinat aparell o dispositiu sense córrer el risc de tocar components en tensió.

La segona xifra es refereix a la protecció contra l’entrada de líquids. Si l’armari estigués instal·lat a l’exterior, el grau mínim de protecció requerit seria de 3 (IP X3).

Per a armaris instal·lats en interiors però sotmesos a variacions importants de temperatura (provocant condensació d’aigua…) la segona xifra no ha de ser inferior a 1 (IP X1).

En totes les instal·lacions previstes a cobert, que ja estan protegides de l’exterior gràcies a la construcció normal (parets, sostres…) és suficient, respectant la norma, un grau de protecció IP X0.

Així, els quadres de distribució utilitzats en centres residencials, escoles, biblioteques, sales de reunió o centres comercials, requereixen un nivell de protecció mínim de IP 20.

La tercera xifra es refereix a la protecció contra cops o xocs que es poguessin efectuar sobre l’envoltant; no se’n fa cap desenvolupament més perquè no es creu oportú per a aquest tema.

Resulta prou protegida un envoltant amb les dues primeres xifres que són les més habituals i normals en la pràctica. Podem observar una la taula, que identifica els graus de protecció d’un envoltant de material elèctric.

L’esquema elèctric de la instal·lació és determinant en l’elecció de l’armari pel que fa a les dimensions. Limitant-nos estrictament al criteri dimensional, l’espai (dimensions de l’armari) a preveure, que ha de contenir l’embolcallat, es pot deduir molt fàcilment a partir de l’àmplia oferta disponible en el mercat i de les dimensions de l’aparellat, modular i no modular, que ha de contenir l’embolcallat.

Altres aspectes que poden determinar l’estructura de l’armari són els següents:

• L’entrada de l’alimentació (per la part superior o inferior, mitjançant cables o platines).
• Els espais suficients per assegurar la facilitat d’inspecció, verificació i manteniment.

L’elecció completa de l’armari contempla òbviament les característiques elèctriques relatives a la secció de la instal·lació en la qual s’instal·larà.

Uns valors característics que poden servir com exemple d’una instal·lació són els següents:

• Tensió nominal d’aïllament: 1.000 V
• Corrent nominal màxima d’ocupació: 3.200 A
• Corrent de curtcircuit: 70 CA, 1 s
• Corrent de cresta: 154 CA

L’armari ha de ser adequat per plantar cara a les sol·licitacions mecàniques producte del corrent de curtcircuit.

Prenent com a exemple una xapa d’un gruix de 2 mm, aquesta assegura les prestacions elèctriques fins als valors màxims d’un quadre elèctric estàndard. També els elements d’unió de les peces estan a l’altura de la situació, les unions de les peces i de les cel·les asseguren la perpendicularitat de les cel·les així com la rigidesa mecànica.

Si prenem com a exemple que utilitzem el fons com estructura base, sobre aquest aniran incorporats els muntants de fixació dels jocs d’equipament així com els blocs de fixació de la resta de l’estructura externa: laterals i tapes (superior i inferior) o sòcol.

Per començar la comprovació d’un quadre elèctric comprovarem totes les connexions sobre tots i cadascun dels elements del quadre i ajustarem els aparells de protecció existents; després començarem a realitzar la verificació per l’ordre següent:

1. Prova del circuit de comandament. Farem aquesta prova amb el circuit de potència desconnectat, és a dir sense càrrega. Els elements de comandament com actuadors, sensors, etc., se simularan mitjançant l’obertura o tancament d’un contacte (un cable que uneixi els borns corresponents). Si les proves resulten vàlides, passaríem a la comprovació del circuit de potència.
2. Prova del circuit de potència. Farem aquesta prova sense tensió, per la qual cosa caldrà desconnectar el circuit de potència de l’alimentació. Utilitzem un mesurador de continuïtat per comprovar cadascun dels dispositius (contactors, relés, temporitzadors, etc.) que anirem accionant manualment per verificar-ne el bon funcionament.
3. Prova del circuit de protecció. Consisteix a comprovar cadascun dels elements de protecció que hi ha al quadre. Verificarem els diferencials amb la tecla de test que disposen, comprovarem els magnetotèrmics revisant el calibre i la corba de tir de cadascun d’ells, per corroborar que els hem triat apropiadament i revisarem els fusibles per verificar-ne el calibre i la classe de servei. Quant al conductor de protecció (presa de terra), en comprovarem la continuïtat en tots els elements metàl·lics del quadre, així com a la porta d’aquest, si és que l’armari en disposa.

Una vegada comprovats tots i cadascuns dels punts anteriors, procedirem a la verificació final del quadre, aquesta vegada amb tensió, i simulant el funcionament de tots els elements del quadre.

Un cop concloses aquestes proves donarem per acabada la comprovació i verificació del quadre i passarem a l’engegada de la instal·lació.

Un cop feta la comprovació i verificació del quadre, cal engegar-lo en el lloc d’emplaçament, seguint els passos que se citen a continuació:

1. Col·locar i fixar l’equip en el lloc d’emplaçament.
2. Alimentar el quadre amb els cables i connectors elèctrics adequats.
3. Comprovar les connexions d’alimentació dels receptors.
4. Verificar la prova en buit del circuit de comandament.
5. Verificar la prova en càrrega del circuit de potència.

Un cop hem arribat a aquest punt donem per acabada l’engegada del quadre, controlarem el bon funcionament de la instal·lació a través de les tasques de manteniment.

Per portar a terme el manteniment del quadre, hem de confeccionar una plantilla o llibre de manteniment en el qual figuri la data en què vam fer el manteniment i les parts específiques de cada element a verificar, com són, contactors, relés tèrmics, temporitzadors, elements auxiliars de comandament, aparells de mesura, etc.

Resulta fonamental una bona neteja, comprovar la temperatura interna que arriba a l’armari a ple rendiment, vigilar que tingui bona ventilació i que tots els filtres estiguin nets, comprovar que tots els terminals de components i elements estiguin bé atapeïts i recordar que tots els components deurien estar identificats i marcats en el quadre elèctric així com els cables que els interconnecten.

L’aparició de nous elements i dispositius basats en l’electrònica de potència fan de la gestió de la temperatura una necessitat que cal tenir en consideració, cada vegada amb més freqüència, per a la concepció dels quadres elèctrics.

El temps de vida dels components, en funció de les condicions de temperatura i d’humitat a l’armari, fa que els valors ideals siguin de 10 a 40 ºC per a la temperatura i de 30% a 90% per al d’humitat relativa (HR).

Hi ha diferents solucions per eliminar els problemes de temperatura en els quadres elèctrics, de les quals podem destacar les següents:

• Dispositius de ventilació forçada i natural.
• Grups de climatització.
• Intercanviadors aire-aigua / aire-aire.
• Resistències calefactores.
• Dispositius de control: termòstat, higròmetre, higròstat.