CAPÍTULO III REVISIÓN 2015 12/05/2015 TEMA:REGÍMENES DE NEUTRO Y PUESTA A TIERRA
INSTALACIONES ELÉCTRICAS Y LUMINOTECNIA CAPÍTULO III PÁGINA 1 DE 77
1.
L
OS ESQUEMAS DE CONEXIÓN A TIERRA ENBT
(
REGÍMENES DE NEUTRO)
1.1 INTRODUCCIÓN1.1.1. Evolución de las necesidades
Actualmente, tal como se definen en la CEI 60.364, en la UNE 20.460 y en la NFC 15-100, los esquemas de conexión a tierra (ECT), que durante mucho tiempo se han llamado “regímenes de neutro”, son tres:
la puesta a neutro -TN-.
el neutro a tierra -TT-.
el neutro aislado (o impedante) -IT-.
Estos tres esquemas tienen una misma finalidad en cuanto a la protección de personas y bienes: el control de los efectos de un defecto de aislamiento. Se consideran equivalentes en cuanto a la seguridad de personas frente a contactos indirectos. Pero no es necesariamente así para la seguridad de la instalación eléctrica de BT en lo que se refiere a:
la disponibilidad de la energía,
el mantenimiento de la instalación.
Estas magnitudes, cuantificables, son objeto de exigencias cada vez mayores en las fábricas y en los edificios del sector terciario o de servicios. Por otra parte, los sistemas de control-mando de edificios y la gestión de la distribución de la energía eléctrica juegan un papel cada vez más importante a nivel de la gestión y de la seguridad. Esta evolución de las necesidades de seguridad no es independiente de la elección de un ECT.
Hay que recordar que la continuidad del servicio es un factor primordial al producirse una emergencia relacionada con los ECT (piénsese en una red sana de distribución pública al desconectar los abonados con un defecto de aislamiento).
1.1.2. Causas de los defectos de aislamiento
Para asegurar la protección de las personas y la continuidad de la explotación, los conductores y las piezas con tensión de una instalación eléctrica están “aislados” respecto a las masas conectadas a tierra. El aislamiento se consigue mediante:
la utilización de materiales aislantes,
con una separación adecuada: por una parte, necesitan determinadas distancias de aislamiento en el seno de un gas (por ejemplo, el aire) y por otra, hay que tener presente el recorrido de las líneas de fuga (en el aparallaje, por ejemplo el camino de contorneo en un aislador).
Un aislamiento se caracteriza por las tensiones específicas que, conforme a las normas, se aplican a los productos y equipos nuevos:
tensión de aislamiento.1
tensión de resistencia a la descarga del rayo (onda 1,2; 50 µs).2
tensión de resistencia a la frecuencia industrial (2.U + 1.000 V durante 1 minuto). Ejemplo para un cuadro de BT tipo:
tensión de aislamiento: 1.000 V,
tensión de descarga de rayo: 12 KV.
Al conectar a la red una instalación nueva, hecha según las reglas del arte del oficio y con productos fabricados de acuerdo con las normas, el riesgo de defectos de aislamiento es muy bajo; al envejecer la instalación, este riesgo aumenta.
1 Es la tensión de referencia para los ensayos de dieléctricos. Determina las distancias en el aire y líneas de fuga sobre el material aislante. Este valor nunca debe
ser menor a la tensión de empleo del aparato. Este valor tiende a ser reemplazado por la tensión de impulso resistida Uimp.
2 Es el valor de cresta de un impulso de tensión de una forma y polaridad determinada, que es capaz de soportar el equipamiento sin falla en condiciones
especificadas de ensayo, este valor debe ser superior o igual a las sobretensiones transitorias de restablecimiento. La tensión de ensayo o de choque simula la de una onda de rayo y permite cuantificar la resistencia a las sobretensiones. Este impulso se define por su valor de cresta, el valor de su flanco de y el tiempo necesario para alcanzar la mitad del valor de pico. Se la conoce como onda 1,2/50, dado que el tiempo de subida es de 1,2 s y el de bajada hasta la mitad del valor pico es de 50 s.
Instalaciones Eléctricas y Luminotecnia Capítulo III Página 2 de 77 En efecto, la instalación sufre diversas agresiones que originan fallos de aislamiento; citemos, a título de ejemplo:
Durante la instalación: el deterioro mecánico de los aislantes de los cables;
Durante la utilización:
o el polvo, más o menos conductor,
o el envejecimiento térmico de los aislantes, debido a una temperatura excesiva, que está causada por: el clima, un número excesivo de cables en las canalizaciones, armarios mal ventilados, los armónicos, las sobreintensidades.
o los esfuerzos electrodinámicos desarrollados durante un cortocircuito que pueden dañar un cable o disminuir la distancia de aislamiento,
o las sobretensiones de maniobra o de rayo, o las sobretensiones de retorno a 50 Hz. como resultado de un defecto de aislamiento en MT.
Normalmente es una combinación de estas causas primarias lo que lleva a un defecto de aislamiento, que puede ser:
de modo diferencial (entre conductores activos), lo que se convierte en un cortocircuito,
de modo común (entre conductores activos y masa o tierra) circulando entonces por el conductor de protección (CP) y/o por tierra una corriente de defecto, llamada de modo común u homopolar (MT).
Los ECT en BT resultan especialmente afectados por los defectos en modo común, que normalmente se producen a nivel de receptores y cables.
1.1.2 Riesgos debidos a un defecto de aislamiento
1.1.2.1 Riesgos
Un defecto de aislamiento, sea cual sea su causa, presenta riesgos para:
la vida de las personas,
la conservación de los bienes,
la disponibilidad de la energía eléctrica, lo que a su vez redunda en perjuicio de la seguridad.
1.1.2.2 Riesgos de electrización de las personas
Una persona (o un animal) sometida a una tensión eléctrica se electriza. (Ilustración 1)
Ilustración 1: Persona sometida a tensión Según la importancia de la electrización, esta persona puede sufrir:
una molestia o dolor,
una contractura muscular,
una quemadura,
Instalaciones Eléctricas y Luminotecnia Capítulo III Página 3 de 77 Ilustración 2: Zonas tiempo - corriente de los efectos de la CA (de 15 a 100 Hz) sobre las personas según CEI 60479-1.
Proteger a una persona de los efectos peligrosos de la corriente eléctrica es prioritario: el riesgo de electrocución es, por tanto, el primero a tener en cuenta. Lo realmente peligroso -por su valor o por su duración- es la intensidad de corriente que atraviesa el cuerpo humano (especialmente el corazón).
En BT el valor de la impedancia del cuerpo, (en la que un componente importante es la resistencia de la piel) no cambia en la práctica más que en función del entorno (locales secos y húmedos, por una parte, y locales mojados, por otra).3
Para cada uno de estos casos, se ha definido una tensión de seguridad (tensión de contacto máxima admisible durante al menos 5 segundos); en la norma CEI 60479, se llama tensión límite convencional UL. Las normas CEI 60364, la UNE 20.460 y la NFC 15-100
precisan que, si la tensión de contacto (UC) tiene el riesgo de sobrepasar la tensión UL, la duración de la aplicación de la tensión de
defecto debe de limitarse mediante la actuación de dispositivos de protección. (Ilustración 3).
3 El ser humano puede modelizarse por dos impedancias:
Ri: resistencia subcutánea de los distintos tejidos pertenecientes a todo el cuerpo.
Zp: impedancia de la piel; el contacto entre la mano y el cable equivale desde el punto de vista eléctrico a un condensador y una resistencia colocados en paralelo; las pruebas han demostrado que por encima de 80 volt el condensador se cortocircuita. Se ha evaluado de forma experimental la resistencia del cuerpo humano a 1.000 en las condiciones siguientes: piel húmeda, sin calzado y en un local mojado. En estas condiciones, puede haber riesgo para 0,025 x 1.000 = 25 V.
Instalaciones Eléctricas y Luminotecnia Capítulo III Página 4 de 77 Ilustración 3: Duración máxima de mantenimiento de la tensión de contacto según la norma CEI 60 364.
1.1.2.3 Riesgo de incendio
Este riesgo, cuando se materializa, puede tener consecuencias dramáticas para las personas y para los bienes. Un buen número de incendios tienen su origen en un calentamiento importante y puntual o en un arco eléctrico provocado por un defecto de aislamiento. El riesgo es todavía más importante si la corriente de defecto es elevada. Es también función del grado de riesgo, de incendio o de explosión, de los locales. (Ilustración 4)
Ilustración 4: Riesgo de incendio
Una corriente de más de 300 mA de fuga puede producir un incendio. Para la protección contra incendios se utiliza generalmente un Dispositivo Diferencia Residual, con sensibilidad de 300 mA. (Ilustración 5)
Ilustración 5: Utilización obligatoria de un DDR de 300 mA de sensibilidad 1.1.2.4 Riesgo de no disponibilidad de la energía
El control de este riesgo tiene cada vez más importancia. En efecto, si para eliminar un defecto se desconecta automáticamente la parte afectada, se tiene como resultado:
un riesgo para las personas, por ejemplo: falta súbita de la iluminación, desconexión de equipos útiles para la seguridad;
un riesgo económico por la falta de producción; este riesgo debe de ser especialmente controlado en las industrias de procesos, en las que un rearranque puede ser largo y costoso.
Además, si la corriente de defecto es elevada:
los daños en la instalación o en los receptores pueden ser importantes y aumentar los costes y los tiempos de reparación,
la circulación de elevadas intensidades de defecto en modo común (entre red y tierra) puede también producir perturbaciones en el funcionamiento de equipos sensibles, sobre todo si éstos forman parte de una red de “baja corriente”, extensamente distribuida y con conexiones galvánicas.
Instalaciones Eléctricas y Luminotecnia Capítulo III Página 5 de 77
Por último, al conectar la tensión, la aparición de sobretensiones y/o de fenómenos de radiación electromagnética pueden producir disfunciones y hasta el deterioro de equipos sensibles.\
1.1.3 Contactos directos e indirectos
Antes de empezar el estudio de los ECT, es útil recordar la electrización por contactos directos e indirectos.
1.1.3.1 Contacto directo y medidas de protección
Se trata del contacto accidental de personas con un conductor activo (fase o neutro) o con una pieza conductora que habitualmente está con tensión (Ilustración 6).
Ilustración 6: Contactos indirectos
Cuando el riesgo es muy importante, la solución sencilla consiste en distribuir la energía eléctrica a una tensión no peligrosa (sistemas SIN corte de alimentación), es decir, a una tensión menor o igual que la de seguridad. Es el empleo de la muy baja tensión de seguridad (muy baja tensión de seguridad y muy baja tensión de protección). (Ilustración 7)
Ilustración 7: Utilización de la MBTS y MBTP
En BT (230/400 V), las medidas de protección consisten en poner las partes activas fuera del alcance o aislarlas con la utilización de aislantes, envolventes o barreras sistemas SIN corte de alimentación). (Ilustración 8)
Ilustración 8: Utilización de envolventes y barreras para los contactos directos
Una medida complementaria contra los contactos directos consiste en utilizar los Dispositivos Diferenciales Residuales (DDR) de alta sensibilidad (30 mA), llamados DDR-AS (Sistema CON corte de alimentación). (Ilustración 9)
Instalaciones Eléctricas y Luminotecnia Capítulo III Página 6 de 77 Ilustración 9: Protección complementaria para los contactos directos: DDR-AS
La forma de tratar los contactos directos es totalmente independiente del ECT, pero esta medida (la utilización de DDR-AS) es necesaria en todos los casos de alimentación de circuitos cuyo ECT no se puede prever o controlar; en Francia, el decreto 14.11.88 y la norma NF C 15-100 § 532-2-6 convierten en obligatoria esta medida, a nivel de:
las tomas de corriente de calibre 32 A,
en ciertos tipos de instalaciones (temporales, en canteras...).
1.1.3.2 Contactos indirectos, medidas de protección y de prevención
El contacto de una persona con masas metálicas accidentalmente puestas bajo tensión se denomina contacto indirecto (Ilustración 10).
Ilustración 10: Ejemplo de un contacto indirecto
Esta conexión accidental a la tensión es el resultado de un defecto de aislamiento. Circula entonces una corriente de defecto y provoca una elevación de la tensión entre la masa del receptor eléctrico y tierra; aparece por tanto una tensión de defecto que es peligrosa si es superior a la tensión UL. Frente a este riesgo, las normas de instalación CEI 60.364 a nivel internacional, UNE 20.460 en
España, y NF C 15-100 en Francia (estas normas son similares en el fondo y en la forma) han oficializado tres esquemas de conexión a tierra ECT y han definido las reglas de instalación y de protección correspondientes. Las medidas de protección contra contactos indirectos se apoyan en tres principios fundamentales:
La utilización de tensiones de seguridad. (Ilustración 11)
Ilustración 11: Utilización de la MBTS y la MBTP
Instalaciones Eléctricas y Luminotecnia Capítulo III Página 7 de 77 Ilustración 12: Utilización de pantallas de seguridad (neutro no conectado a tierra)
Empleo de materiales con aislación Clase II4. (Ilustración 13)
Ilustración 13: Utilización de aparatos clase II
Aislamiento adicional de la instalación. (Ilustración 14)
Ilustración 14: Aislamiento adicional
Alejamiento o interposición de obstáculos. (Ilustración 15)
Ilustración 15: Puesta de obstáculos para la protección contra contactos indirectos
La conexión a tierra de las masas de los receptores y equipos eléctricos, para evitar que un defecto de aislamiento se convierta en el equivalente a un contacto directo.5
La Equipotencialidad de masas accesibles simultáneamente: la interconexión de estas masas contribuye eficazmente a reducir la tensión de contacto. Esto se hace mediante el conductor de protección (CP) que interconecta las masas de los materiales eléctricos para el conjunto de un edificio, eventualmente completada con conexiones equipotenciales adicionales (Ilustración 16). La equipotencialidad no puede ser total en todos los
4 Aparatos Clase 0: Estos aparatos no tienen conexión de protección de las tierras y cuentan con sólo un único nivel de aislamiento y estaban destinadas para su
uso en zonas secas. En la mayoría de los países, la venta de estos aparatos de tensión de red está prohibido hoy en día [cita requerida], ya que un fallo podría provocar una descarga eléctrica u otro suceso peligroso. La Comisión Electrotécnica Internacional está en proceso de eliminar los dispositivos de Clase 0 de sus normas. Es de esperar que el concepto de Clase 0 desaparezca eventualmente del mercado internacional, en favor de dispositivos de Clase II [cita requerida]. Las ventas de estos artículos han sido prohibidos en el Reino Unido desde 1975.
Aparatos Clase I: Estos aparatos deben tener su chasis conectado a una toma de tierra por un conductor (de color amarillo/verde en la mayoría de los países y verde en los Estados Unidos, Canadá y Japón). Un fallo en el aparato que hace que un conductor con tensión entre en contacto con la carcasa lo que causará un flujo de corriente en el conductor de tierra. Esta corriente puede pasar a través de un interruptor diferencial (interruptor de circuito por falla de tierra), que cortará el suministro de electricidad en el aparato.
Aparatos Clase II: Dispositivo de Clase II o aparato con doble aislamiento eléctrico es uno que ha sido diseñado de tal forma que no requiere una toma a tierra de seguridad eléctrica. El requisito básico es que un fallo simple no puede dar lugar a tensiones peligrosas que se exponga lo que podría causar una descarga eléctrica y que esto se logra sin depender de una caja metálica conectada a tierra. Esto se consigue normalmente porque tiene dos capas de material aislante que rodea las partes con tensiones peligrosas o utilizando un aislamiento reforzado. En Europa, un aparato de doble aislamiento deben ser etiquetados como clase II, doble aislamiento y llevan el símbolo de doble aislamiento (un cuadrado dentro de otro cuadrado).
Aparatos Clase III: Un aparato de Clase III está diseñado para ser alimentado por una fuente de alimentación SELV (por sus siglas en inglés: "Separated or Safety Extra-Low Voltage"). La tensión de una fuente de SELV es lo suficientemente bajo para que, en condiciones normales, una persona puede entrar en contacto con ella sin correr el riesgo de descarga eléctrica. Por tanto no es necesario incorporar la seguridad que llevan los aparatos de Clase I y Clase II. Para el cumplimiento de los dispositivos médicos la Clase III no se considera suficiente la protección.
Instalaciones Eléctricas y Luminotecnia Capítulo III Página 8 de 77 puntos (especialmente en locales de una sola planta); además, para el estudio de los ECT y de las protecciones asociadas, la hipótesis que tienen en cuenta los “redactores de normas”, que Uc es igual a Ud, se aplica porque Uc es, al menos, igual a Ud .
Ilustración 16: Equipotencialidad de las masas
o Ud es la tensión (llamada de defecto) respecto a la tierra profunda de la masa del aparato eléctrico que tiene un defecto de aislamiento,
o Uc es la tensión de contacto que depende del potencial Ud y de la referencia de potencial de la persona expuesta al riesgo, generalmente el suelo.
La gestión del riesgo eléctrico: Esta gestión se optimiza con la prevención. Por ejemplo, al medir el aislamiento de un equipo antes de su conexión, o por la predicción del defecto basada en el seguimiento de la evolución, con tensión, del aislamiento de una instalación alimentada y aislada de tierra (IT). Si se produce un defecto de aislamiento y éste genera una tensión de defecto peligrosa, hay que eliminarlo desconectando automáticamente la parte de la instalación donde se produce el defecto. La forma de suprimir el riesgo depende entonces del ECT. (Ilustración 17)
Ilustración 17: Forma para la gestión del riesgo eléctrico: Medidores de aislamiento 1.2 LOS ECT Y LAS PROTECCIÓN DE LAS PERSONAS
1.2.2 Introducción
Aquí se determinan los riesgos de electrización y hasta de electrocución para cada uno de los diferentes esquemas de conexión a tierra, tal como los define la Comisión Electrotécnica Internacional en la norma CEI 60364. El ECT en BT determina la forma de conectar a tierra el secundario del transformador MT/BT y las diversas maneras de poner a tierra las masas de la instalación. La identificación de los tipos de esquema se expresa con dos letras.
1.2.3 La primera letra
Instalaciones Eléctricas y Luminotecnia Capítulo III Página 9 de 77
o T para “conectado” a tierra, o I para “aislado” de tierra;
Ilustración 18: Formas de conexión del neutro del transformador. Identificación de la primera letra.
1.2.4 La segunda letra
La segunda identifica el tipo de conexión de las masas de los receptores (con 2 casos posibles): o T para “masa conectada directamente” a tierra,
o N para “masa conectada al neutro” en el origen de la instalación; instalación que ha de estar conectada a tierra (Ilustración 19).
Ilustración 19: Identificación de la forma de las conexiones de las masas de la instalación
La combinación de estas dos letras da tres configuraciones posibles: (Ilustración 20, Ilustración 21 e Ilustración 22)
TT: neutro del transformador T y masa T,
TN: neutro del transformador T y masa N,
IT: neutro del transformador I y masa T.
Ilustración 20: Combinaciones posibles: TT (izquierda), TN (centro) e IT (derecha) El esquema TN, según CEI 60364, NF C 15-100 y UNE 20 460, implica varios subesquemas: (figura 3.21)
TN-C: si los conductores del neutro N y el conductor de protección CP coinciden (CPN),
TN-S: si los conductores del neutro N y el conductor de protección CP están separados,
Instalaciones Eléctricas y Luminotecnia Capítulo III Página 10 de 77 Ilustración 21: Sistema TN y sus variantes: TNC (izquierda), TNS (centro) y TNC-S (derecha)
Ilustración 22: Modo de conexión del neutro de un transformador a tierra; y modo de conexión de las masas de los receptores eléctricos Hay que destacar que, si se utiliza el TN, es obligatorio el TN-S para redes que tengan conductores de sección menor o igual que 10 mm2 de cobre.
Cada ECT puede aplicarse a todo el conjunto de una instalación eléctrica de BT; pero también pueden coexistir varios ECT en una misma instalación; ver, por ejemplo, la Ilustración 23.
Ilustración 23: Ejemplo de coexistencia entre los diversos ECT. 1.3 PUESTA A NEUTRO: ESQUEMA TN
1.3.2 Introducción
Ante un defecto de aislamiento, la corriente de defecto Id no está limitada más que por la impedancia de los cables del bucle del defecto (Ilustración 24).
Instalaciones Eléctricas y Luminotecnia Capítulo III Página 11 de 77 Ilustración 24: Posibilidades del sistema TN: TNC (izquierda arriba), TNS (derecha arriba) y TNC-S (abajo)
1.3.3 Análisis de la corriente de defecto en un sistema TN
En la Ilustración 25 podemos ver un sistema circuital en la cual la resistencia de defecto se considera nula. En un determinado momento la persona toca una masa metálica que se encuentra bajo tensión.
Ilustración 25: Corriente y tensión de defecto en el esquema TN.
Para una salida determinada y supuesto que 𝑅𝑑= 0 , se tiene:
En efecto, durante un cortocircuito, se admite que las impedancias aguas arriba de la salida considerada provocan una caída de tensión del orden del 20% sobre la tensión simple Uo, que es la tensión nominal entre fase y tierra; de ahí el coeficiente 0,8. Entonces Id provoca la aparición de una tensión de defecto, respecto a tierra:
Instalaciones Eléctricas y Luminotecnia Capítulo III Página 12 de 77 Para redes de 230/400 V, esta tensión, del orden de:
Esta tensión es peligrosa, porque es superior a la tensión límite de seguridad, incluso en un lugar seco (UL = 50 V).
Por tanto, es necesario asegurar la desconexión automática e inmediata de la instalación o de parte de la misma (Tabla 1). Siendo el defecto de aislamiento similar a un cortocircuito fase-neutro, el corte debe de realizarse con un dispositivo de protección contra cortocircuitos -DPCC- con un tiempo máximo de corte especificado en función de UL.
Tabla 1: Tiempos de corte en el ECTTN (ver CEI Nº60.364 y NFC Nº 15-100, tablas 41a y 48a).
1.3.4 Instalación
Para estar seguro de que la protección es realmente activa hace falta, sea el que sea el punto del defecto, que la corriente Id sea superior al umbral de funcionamiento instantáneo de la protección Ia6 (Id > Ia ). Esta condición debe de comprobarse durante el diseño
de la instalación con los cálculos de la corriente de defecto, y esto para cada uno de los circuitos de la distribución.
Un mismo recorrido del conductor de protección -CP- y de los conductores activos facilita el cálculo y está recomendado por la norma (NF C 15-100 § 544-1; UNE 20 460). Para garantizar esta condición hay otra forma que consiste en imponer un valor máximo de impedancia a los bucles de defecto en función del tipo y calibre de los DPCC escogidos. Este método puede llevar a aumentar las secciones de los conductores activos y/o de protección.
Otro aspecto a comprobar, para asegurar que el DPCC protegerá a las personas, es calcular la longitud máxima de cable, que ninguna salida habrá de sobrepasar, para un margen de protección Ia dado.
Para calcular Id y Lmáx se pueden utilizar tres métodos simples:
el método de las impedancias,
el método de la composición,
el método convencional. Éste último, da la ecuación:
Para que la protección asegure perfectamente esta función, es necesario que , de donde Lmáx, longitud máxima permitida por la protección que tiene el margen Ia, es:
Dónde:
Lmáx: longitud máxima en m,
Uo: tensión simple, 230 V para una red trifásica de 400 V,
: resistividad a la temperatura de funcionamiento normal,
Ia: corriente de disparo instantáneo:
o para un interruptor automático Ia = Im (siendo Im la corriente de funcionamiento del relé magnético o de corto-retardo),
o para un fusible, Ia es una corriente tal que el tiempo total de corte del fusible (tiempo de prearco + tiempo de arco) sea conforme a la norma (figura 3.9),
Instalaciones Eléctricas y Luminotecnia Capítulo III Página 13 de 77
Si la línea tiene una longitud mayor que Lmáx, hay que: o disminuir Ia, o
o aumentar la sección del CP, o
o instalar un Dispositivo Diferencial Residual (DDR). 1.3.5 Ejemplo
Para el circuito de la figura, cuya tensión de alimentación de fase es U0= 230 Volt, se pide halle la corriente de defecto y la
tensión de contacto, considerando que los cables de fase y neutro tienen una longitud de 50 metros y una sección de 35 mm2. La
corriente de fuga no circulará por la tierra sino que lo hace por el conductor neutro (PEN) cuya resistencia llamaremos RPE. (Ilustración 26)
Ilustración 26: Recorrido del bucle de corriente En este caso la corriente de defecto vale:
𝐼𝑑 = 𝑈0
𝑅𝐹+ 𝑅𝑃𝐸
La resistencia del conductor de fase y del neutro es la misma ya que tienen la misma longitud y la misma sección y son del mismo material. Estas valen: (Ilustración 27)
𝑅𝐹= 𝑅𝑃𝐸= 𝜌. 𝐿 𝑆 = 0,025Ω. mm𝑚 2. 50𝑚 35𝑚𝑚2 = 32,14𝑚Ω 𝐼𝑑 = 230𝑉𝑜𝑙𝑡 2.32,14𝑚Ω= 3.578𝐴𝑚𝑝𝑒𝑟
Ilustración 27: Valores de corriente obtenidos Esta tensión de defecto genera una tensión de contacto:
Instalaciones Eléctricas y Luminotecnia Capítulo III Página 14 de 77 Esta tensión es claramente superior a la tensión de seguridad UL. Por lo tanto es preciso cortar obligatoriamente. En la práctica
esto es idéntico como si existiera una falla entre fase y neutro. El interruptor automático situados aguas arriba debe abrir. (Ilustración 28)
Ilustración 28: Apertura del interruptor automático aguas arriba
Puesto que la corriente de defecto depende de la longitud de las líneas, es necesario comprobar que esta sea superior al umbral de funcionamiento de la protección (Ia). Caso contrario debe agregarse un DDR en la cabecera de la instalación. (Ilustración 29)
Ilustración 29: Comprobar siempre que Id es mayor al valor de Ia 1.3 NEUTRO A TIERRA: ESQUEMA TT
1.3.1 Introducción
Ante un fallo de aislamiento, la corriente de defecto Id (Ilustración 31) queda limitada, sobre todo, por las resistencias de tierra (si la conexión a tierra de las masas y la conexión a tierra del neutro no son la misma). Siempre con la hipótesis de que Rd 0, la corriente de defecto es: (Ilustración 30)
Instalaciones Eléctricas y Luminotecnia Capítulo III Página 15 de 77 Ilustración 31: Corriente y tensión de defecto en el esquema TT
Esta corriente de defecto produce una tensión de defecto en la resistencia de tierra de los receptores: O, lo que es lo mismo:
Siendo normalmente bajas las resistencias de tierra y del mismo orden de magnitud ( 10 ), esta tensión, del orden de U0/2, es peligrosa; por tanto, es obligatorio prever una desconexión automática de la parte de la instalación afectada por el defecto (Tabla 2).
Tabla 2: Límite superior de la resistencia de la toma de tierra de las masas que no hay que sobrepasar, en función de la sensibilidad de los DDR y de la tensión límite
1.3.2 Instalación
En la cabeza de la instalación es necesario colocar al menos un DDR, puesto que la corriente de defecto más allá de la que hay riesgo:
Es muy inferior a la de ajuste de los dispositivos de protección de corriente máxima. Para mejorar la disponibilidad de la energía eléctrica, el empleo de varios DDR permite conseguir una selectividad de disparo amperométrica y cronométrica. Todos estos DDR tendrán un margen de corriente asignada In inferior a Id0.
La desconexión de la tensión, por la actuación de los DDR, debe de hacerse según la norma, en menos de 1 segundo. Hay que destacar que la protección por medio de DDR:
es independiente de la longitud de los cables,
permite varias tomas de tierra R a separadas (disposición no deseable, porque el CP ya no es una referencia de potencial única para todo el conjunto de la instalación).
Instalaciones Eléctricas y Luminotecnia Capítulo III Página 16 de 77
1.3.3 Ejemplo de cálculo
Suponga una red, con tensión de fase U0=230 Volt, como la de la figura 3. . Se produce una falla de aislamiento de manera que la
resistencia de defecto es nula (Rd=0). Se pida obtenga la corriente de defecto y la tensión de contacto, considerando que las resistencias de puesta a tierra Ru y Rn son del orden de los 10. (Ilustración 32).
Ilustración 32: Ejemplo del sistema TT
Cuando se produce el fallo, la corriente de defecto Id, queda fundamentalmente limitada por las resistencias de fallo (Rd) y las resistencias de tierra Ru y Rd. Como Rd=0, la corriente de defecto Id vale:
𝐼𝑑 = 𝑈0
𝑅𝑛 + 𝑅𝑢= 230𝑉
10Ω+10Ω= 11,50𝐴𝑚𝑝𝑒𝑟
Esta corriente de defecto genera una tensión de contacto:
𝑈𝑐 = 𝐼𝑑. ( 𝑅𝑢. 𝑅𝑐 𝑅𝑢 + 𝑅𝑐)
Suponiendo que la resistencia corporal vale Rc= 2.000 (Ilustración 33).
𝑈𝑐 = 11,50𝐴𝑚𝑝𝑒𝑟. ( 10𝛺. 2.000𝛺
10𝛺 + 2.000𝛺) = 115𝑉𝑜𝑙𝑡
Ilustración 33: Valores de corriente obtenidos para el ejemplo
Dicha tensión es muy superior a la tensión límite UL y presenta peligro para las personas si estas se exponen durante más de 300
Instalaciones Eléctricas y Luminotecnia Capítulo III Página 17 de 77 Ilustración 34: Los 115V de tensión de contacto y los límites de tiempo para cada tipo de entorno
1.4 NEUTRO AISLADO O IMPEDANTE: ESQUEMA IT
1.4.1 Introducción
El neutro está aislado, es decir, no está conectado a tierra. Las tomas de tierra de las masas normalmente están interconectadas (como para el ECT TN o TT). (Ilustración 35).
Ilustración 35: Forma de conexión del sistema con neutro aislado
En funcionando normal (sin defecto de aislamiento), la red está puesta a tierra por la impedancia de fuga de la red. Recuérdese que la impedancia natural de fuga a tierra de un cable trifásico, de 1 Km. de longitud, se caracteriza por los valores típicos:
𝐶 =1𝜇𝐹
𝑘𝑚 → 𝑍𝑐𝑓=
1
𝑗𝑤𝐶= 3.200Ω
En régimen IT, para fijar adecuadamente el potencial de una red respecto a tierra, es aconsejable, sobre todo si es corta, colocar una impedancia (Zn 1.500 ) entre el neutro del transformador y tierra. Es el esquema IT llamado de neutro impedante7.
1.4.2 Comportamiento al primer fallo:
1.4.2.1 Neutro aislado
La corriente de defecto se establece como sigue (valor máximo en caso de defecto franco y neutro no distribuido):
Y: De donde:
Para 1 km de red a 230/400 V, la tensión de defecto será:
Instalaciones Eléctricas y Luminotecnia Capítulo III Página 18 de 77 Esta tensión no es peligrosa, por lo que la instalación puede mantenerse en servicio. Si el neutro está distribuido, la diferencia de
potencial del neutro respecto a tierra añade una corriente (Ilustración 36).
1.4.2.2 Neutro impedante
La corriente del primer defecto es:
La tensión de defecto correspondiente resulta débil, no peligrosa y la instalación puede mantenerse en servicio. Continuar la explotación, sin peligro, es muy importante, pero hace falta:
estar advertido de que hay un defecto,
buscarlo rápidamente y eliminarlo, antes de que se produzca un segundo defecto. Para responder a esta demanda:
la información “existe un defecto” la da el Controlador Permanente de Aislamiento (CPA) que supervisa todos los conductores activos, incluido el neutro (es obligatorio según la norma NF C 15-100),
la búsqueda se realiza con la ayuda de un localizador de defectos.
Ilustración 36: Corriente del primer defecto de aislamiento en el esquema IT.
1.4.3 Ejemplo
Se tiene la red de la Ilustración 37. El neutro está aislado y no conectado a tierra. Las tomas de tierra de las masas se encuentran interconectadas y puestas a tierra. Se pide obtenga la corriente de defecto y la tensión de contacto
Instalaciones Eléctricas y Luminotecnia Capítulo III Página 19 de 77 Ilustración 37: Forma de conexión del ejemplo
La impedancia de los cables, por unidad de longitud, es C=0,3F/km y R= 10M/km, a 50 Hz. (Ilustración 38).
Ilustración 38: Impedancias características de los conductores del ejemplo
La impedancia equivalente del conjunto vale: R=3,33 M y la capacidad de 0,9 F. Esto equivale a una impedancia de ZC=
3.540 (Ilustración 39).
Ilustración 39: Valores de la impedancia ZC
Se observa que R es irrlevante respecto a XC. La corriente de defecto queda limitada or esta impedancia. En caso de falla de
aislamiento, considrenado 230 Volt, y las resistencias de tierra de 10 cada una (Ru y Rn), la corriente de defecto, Id, vale: (Ilustración 40).
𝐼𝑑 = 𝑈0
𝑍𝑐 + 𝑅𝑢 + 𝑅𝑛= 60𝑚𝐴
Instalaciones Eléctricas y Luminotecnia Capítulo III Página 20 de 77 Por lo tanto como es menor a 300 mA, NO hay riesgo de incendio. La tensión de contacto UC de la masa del receptor respecto a
la tierra será: (Ilustración 41).
Ilustración 41: Valor de la tensión de contacto UC 𝑈𝑐 = 𝐼𝑑. 𝑅𝑢 = 0,060𝐴𝑚𝑝𝑒𝑟. 10Ω = 0,60𝑉𝑜𝑙𝑡
Por lo tanto no hay peligro para las personas.-
1.4.4 Comportamiento con el segundo defecto
Cuando aparece un segundo defecto y no se ha eliminado el primero, pueden darse tres situaciones diferentes.
1.4.4.1 El defecto afecta al mismo conductor activo
En este caso no pasa nada y la explotación puede continuar.
1.4.4.2 El defecto afecta a dos conductores activos diferentes
Si todas las masas están interconectadas, el defecto doble es un cortocircuito (a través del CP). (Ilustración 42).
Ilustración 42: defecto afecta a dos conductores activos diferentes
El riesgo de electrocución es similar al encontrado con el ECT tipo TN. Las condiciones más desfavorables para los DPCC (Id es la menor posible) se tienen en el caso de que los dos defectos se produzcan en salidas que tengan las mismas características (sección-longitud) (Ilustración 43). Los DPCC deben de respetar las siguientes relaciones:
si el neutro está distribuido y uno de los dos conductores con defecto es el neutro:
si el neutro no está distribuido:
Obsérvese que en el caso de que uno de los dos defectos esté sobre el neutro, la corriente de defecto y la tensión de defecto son la mitad que en el esquema TN. Esto ha llevado a que, en este caso, las normas autoricen un tiempo de funcionamiento de los DPCC más largo ().
Instalaciones Eléctricas y Luminotecnia Capítulo III Página 21 de 77 Ilustración 43: Corriente del 2º defecto en el esquema IT (neutro distribuido) y salidas que tienen la misma sección y longitud.
Como en el ECT TN, la protección por DPCC no es admisible más que con unas longitudes máximas de cable:
si se distribuye el neutro:
si no se distribuye el neutro:
Esto a condición de que el neutro esté protegido y que su sección sea igual a la sección de las fases. Precisamente por esto la NFC 15-100 desaconseja distribuir el neutro. (Tabla 3)
Tabla 3: Tiempos de corte máximos especificados en esquema IT (según CEI 60364 y NF C 15-100, tablas 41B y 48A.)
1.4.4.3 El defecto afecta a dos conductores activos diferentes pero no todas las masas están interconectadas
Para las masas puestas a tierra, individualmente o por grupos, cada circuito o cada grupo de circuitos debe de estar protegido por un DDR. En efecto, en caso de un defecto de aislamiento a nivel de grupos conectados a dos tomas de tierra diferentes, el comportamiento del ECT, respecto al fallo de aislamiento (Id, Ud), es similar al de un esquema en TT (la corriente de defecto pasa por tierra). La protección de personas contra contactos indirectos queda entonces asegurada de la misma manera , como puede verse en la tabla de la figura 11. Nótese que, cumpliendo los tiempos que dice la norma, puede efectuarse una selectividad cronométrica horizontal para privilegiar la continuidad del servicio en ciertos edificios. Para proteger una red de BT aislada de la tierra (IT) contra las elevaciones de tensión (cebado en el transformador MT/BT, contacto accidental con una red de tensión más alta, rayo sobre la red de MT), en Francia la norma NFC 15-100 obliga a instalar un limitador de sobretensión entre el punto neutro del transformador MT/BT y la tierra (Rb). En la tabla de la Tabla 4 se recogen las fórmulas principales que hay que conocer para tener una visión de síntesis de las magnitudes que caracterizan los diferentes ECT, en cuanto a la protección de personas.
Instalaciones Eléctricas y Luminotecnia Capítulo III Página 22 de 77 Recordemos que:
la sección del CP, generalmente igual a la sección de las fases, puede ser igual a la mitad de la sección de las fases cuando sobrepasan los 35 mm2, lo que aumenta Ud en TN y IT.
Tabla 4: Magnitudes características de los ECT.
1.4.5 Principio de funcionamiento de los CPA8
Como ya hemos visto anteriormente, el aislamiento de una red respecto de tierra está formado, para una longitud determinada y para cada fase, por una resistencia R y una capacidad de fuga C, en paralelo. (Ilustración 44).
Ilustración 44: Conexión en paralelo de R y C
El CPA incluye un generador de bajo nivel y de baja frecuencia (o continua en algunos casos) entre la red que tiene que controlar y la tierra. Esta tensión produce una corriente de fuga en las capacidades y resistencias vistas, que es posible medir y refleja el aislamiento del sistema.
En caso de falla de aislamiento la resistencia de aislamiento cae abruptamente, la corriente de fuga sobrepasa un umbral predeterminado, lo cual dispara la alarma. Existen dos tipos de CPA, que veremos a continuación.
1.4.5.1 CPA de tensión continua
La tensión Ucc creó una corriente continua Icc de retorno únicamente por la resistencia9. Un aparato de medida, graduado
directamente en K, indica en forma permanente el nivel de aislamiento. (Ilustración 45).
8 Controladores Permanentes de Aislamiento
Instalaciones Eléctricas y Luminotecnia Capítulo III Página 23 de 77 Ilustración 45: CPA de tensión continua
La resistencia Ri cumple dos funciones:
Protege el dispositivo contra tierra franca
Suministra la tensión necesaria para controlar el relé electrónico que acciona el contacto de alarma. Este CPA NO permite:
Localizar la falla, bajo tensión.
Medir la capacidad de aislamiento.
1.4.5.2 CPA de tensión alterna
La tensión Uca creo una corriente continua Ica de retorno tanto por la resistencia como por las capacidades. La medida de su desfase permite medir en forma individual Ires e Icap. Un aparato de medida, graduado directamente en k, indica en forma permanente el nivel de aislamiento. (Ilustración 46).
Ilustración 46: CPA de tensión alterna La resistencia Ri cumple dos funciones:
Protege el dispositivo contra tierra franca
Suministra la tensión necesaria para controlar el relé electrónico que acciona el contacto de alarma. Este CPA permite:
Localizar la falla, bajo tensión, mediante el uso de toroidales
Medir la capacidad de aislamiento y la resistencia.
1.5 INFLUENCIA DEL ECT EN EL CONDUCTOR NEUTRO
1.5.1 Incidencia del esquema TT en el conductor neutro
1.5.1.1 Caso de una instalación bajo tensión
El esquema TT no tiene ningún efecto sobre la protección y el corte del neutro, ya que la corriente de defecto de aislamiento no atraviesa el conductor.
1.5.1.2 Caso de una instalación sin tensión
El secciona miento del neutro es obligatorio. En efecto, en caso de sobretensión en MT (fallo o descarga eléctrica del transformador), el potencial del neutro se eleva y por tanto aparece un potencial muy peligroso de varios cientos de voltios
Instalaciones Eléctricas y Luminotecnia Capítulo III Página 24 de 77 aproximadamente entre el neutro y la tierra de utilización. Por este motivo, una persona que opere en la máquina puede estar en contacto directo con el conductor de neutro a dicha tensión elevada, lo que conlleva el máximo riesgo.
Las normas de instalación, concretamente la norma IEC 364, tienen en cuenta este riesgo al imponer un seccionamiento sin tensión del conductor neutro. Si este seccionamiento queda garantizado a través de una función de corte omnipolar que realiza al mismo tiempo el corte simultaneo y el seccionamiento de las fases y el neutro, entonces aumentaría la seguridad de las intervenciones sin tensión. Es por tanto necesario garantizar el seccionamiento. Un interruptor automático tetrapolar que permita realizar el corte omnipolar y el seccionamiento cumple naturalmente todos los requisitos de la norma IEC 364. (Ilustración 47).
Ilustración 47: Esquema TT caso de una instalación sin tensión
1.5.2 Incidencia del esquema TN en el conductor neutro
Si la onda de un rayo (frecuencia del orden de un MHz) llega a la parte de MT, la conexi6n a tierra del transformador no la detendrá. En efecto, el componente inductivo L del enlace del neutro a tierra prevalece a estas frecuencias ya que = 2f. El potencial peligroso se transmite automáticamente al conductor neutro.
El personal de mantenimiento estará en contacto directo con esa sobretensión. Es muy recomendable realizar el seccionamiento en TN-S para cortar el neutro. (Ilustración 48). Obviamente no deberá realizarse en el esquema TNC.
Ilustración 48: Incidencia del esquema TN en el conductor de neutro
1.5.3 Incidencia del esquema IT en el conductor neutro
1.5.3.1 Caso de una instalación bajo tensión
En caso de fallo doble, uno de ellos relativo al conductor neutro, este puede verse sometido a una sobrecarga independientemente de la corriente de las fases. Se recomienda por tanto no distribuir el neutro.
El neutro de B está protegido para 100 A. La fase de A, dimensionada a 1.000 A, no lo protegerá. Por lo tanto, es necesario proteger y cortar el neutro obligatoriamente. (Ilustración 49).
Instalaciones Eléctricas y Luminotecnia Capítulo III Página 25 de 77 Ilustración 49: Caso de fallo doble, sistema IT, instalación bajo tensión
1.5.3.2 Caso de una instalación sin tensión
La tensión neutro/tierra puede ser equivalente a la tensión simple cuando se produce el primer fallo. Por lo tanto, es preciso realizar el seccionamiento del neutro. Además al no estar el neutro conectado a tierra, aumentan las incidencias de sobretensiones MT en relación con un esquema TN o TT. El seccionamiento es por tanto obligatorio. (Ilustración 50).
Ilustración 50: Caso del sistema IT, instalación sin tensión 1.6 VENTAJAS Y DESVENTAJAS DE LOS ECT
1.6.1 Generalidades
En la Tabla 5 podemos observar un resumen de las ventajas y desventajas de cada una de las distintas posibilidades de ECT.
Tipo TT TNC TNS IT
Seguridad de las personas E E E E
Continuidad del servicio B B B E
Comportamiento ante perturbaciones electromagnéticas B C M B Comportamiento ante descargas atmosféricas M B B M
Protección contra riesgos de incendio B C M B
Daños de los equipos B C C B
Equipotencialidad del PE B C M M
Simplicidad de la instalación E M M M
Economía en la aparamenta M B B C
Posibilidad de cortar el neutro Sí No Sí Sí
Tabla 5: Resumen de ventajas y desventajas (E=excelente, B= Bueno, M=Medio; C= Malo o debe controlarse)
1.6.2 El sistema TT Ventajas:
o La intensidad de la corriente de defecto es débil.
o Estudio y realización sencillos, ya que la definición de las protecciones correspondientes no exige definir las impedancias del bucle de defecto, de ahí la facilidad de ampliación de la instalación.
o No es necesario vigilar permanentemente la explotación (únicamente puede resultar necesario un control periódico de los dispositivos diferenciales)
Instalaciones Eléctricas y Luminotecnia Capítulo III Página 26 de 77
o Exige el corte total o parcial (en caso da dispositivos selectivos) del circuito desde el momento en el que aparece el primer tallo de aislamiento. Además, si hay tomas de tierra BT no interconectados intencionadamente, es necesario instalar más a menudo protecciones contra las sobretensiones. 1.6.3 El sistema TN
Ventajas:
o Permite utilizar dispositivos convencionales para las protecciones (interruptores automáticos). o Permite, en TN-C, utilizar aparamenta tripolar.
Inconvenientes:
o Requiere un estudio preciso y el pleno conocimiento de las impedancias de los bucles de defecto (si no es posible realizar el cálculo para una salida, se recomienda utilizar un DDR para la misma).
o Requiere comprobar obligatoriamente las intensidades y tiempos de disparo mediante medidas en la puesta en servicio o cuando se realicen modificaciones.
o Requiere personal calificado para su mantenimiento.
o Requiere el corle total o parcial (dispositivos selectivos) de la alimentación desde el momento en el que se produce el primer fallo de aislamiento.
o No se recomienda utilizar el esquema TN-C (o TN-C-S):
presenta riesgos permanentes, concretamente: caídas de tensión a lo larga del PEN, la circulación de comentes en los elementos conductores, blindajes y masas (riesgo de destrucción o incendio), campo magnético radiado.
ausencia de protección contra loa fallos de aislamiento de tipo impedante; en caso de defecto franco, la intensidad de la corriente de defecto es elevada.
1.6.4 El sistema IT Ventajas:
o Permite una mejor continuidad del servicio: el primer defecto de aislamiento, sin peligro, no implica el corle automático.
Inconvenientes:
o Requiere un estudio para organizar la resistencia a las sobretensiones y evitar las corrientes de fuga excesivas (transitorios incluidos).
o instalar controladores permanentes de aislamiento {CPA) con objeto de señalar (obligatoriamente) el primer fallo.
localizar y eliminar dicho fallo.
comprobar los disparos en el segundo fallo, si es posible durante la fase de estudio y obligatoriamente en la puesta en servicio.
o mantener un buen nivel de aislamiento general en la red.
o presencia de personal de mantenimiento para vigilar la explotación y garantizar el cumplimiento de las condiciones anteriores.
o Instalar un limitador de sobretensión.
1.7 ELECCIÓN DEL ECT Y CONCLUSIÓN
1.7.1 Introducción
Los tres ECT mundialmente utilizados y normalizados por la CEI 60364 tienen como objetivo común la búsqueda de la mayor seguridad posible.
En el terreno de la protección de personas, los tres regímenes son equivalentes, si se respetan todas las reglas de instalación y utilización. Dadas las características específicas de cada régimen, no puede hacerse una elección apriorística.
Esta elección debe de ser el resultado de un acuerdo entre el usuario y el diseñador de la red (oficina técnica del instalador...), sobre:
Las características de la instalación
Instalaciones Eléctricas y Luminotecnia Capítulo III Página 27 de 77 Es ilusorio querer utilizar una red con neutro aislado en una parte de una instalación que, por naturaleza, tiene un mal nivel de aislamiento (sólo algunos miles de ): instalaciones viejas, muy extensas, con líneas a la intemperie.
Del mismo modo sería incongruente elegir una explotación con puesta al neutro en una industria donde son esenciales la continuidad del servicio o la productividad, e importante el riesgo de incendio.
1.7.2 Método para elegir el ECT (Tabla 6)
Antes de empezar no hay que olvidar que pueden coexistir los tres ECT en una misma instalación eléctrica, lo que es una garantía de poder obtener la mejor respuesta a las necesidades de seguridad y de disponibilidad.
Además, hay que asegurarse que la elección no venga ya recomendada o impuesta por las normas o la legislación (Decretos y Reglamentos de los Ministerios).
Después, se tiene que escuchar al usuario o cliente para conocer sus exigencias y sus medios: o necesidad de continuidad en el servicio.
o servicio atenido o no. o riesgo de incendio.
Generalizando:
o para la continuidad en el servicio y servicio atendido: la solución es el IT.
o para la continuidad en el servicio y servicio no atendido: ninguna solución es totalmente satisfactoria: preferir el TT con el que la selectividad al disparo es más fácil de instalar y que minimiza los daños respecto al TN. Las ampliaciones son fáciles de hacer (sin cálculos).
o continuidad en el servicio no obligatoria y servicio de mantenimiento competente: preferir el TN-S (reparación y extensiones rápidas y ejecutadas según las normas).
o continuidad en el servicio no obligatoria y sin servicio de mantenimiento: preferir el TT, o riesgo de incendio: IT si hay servicio de mantenimiento y se emplea DDR de 0,5 A, o TT.
Tener en cuenta la especificidad de la red o de los receptores:
o redes muy extensas o con una gran corriente de fuga: preferir el TN-S. o utilización de alimentaciones de emergencia y de socorro: preferir el TT.
o receptores sensibles a grandes corrientes de defecto (motores): preferir el TT o el IT.
o receptores con bajo aislamiento natural (hornos) o con filtros de HF importantes (grandes ordenadores): preferir el TN-S.
o alimentación de sistemas de mando y control: preferir el IT (continuidad en el servicio) o el TT (mejor equipotencialidad de los aparatos de comunicaciones).
Tipo de red Recomendado Posible No recomendado
Red muy extensa con tomas de tierra de las masas de utilización correctas (10 Ω como máximo)
TT, TN , IT y combinaciones Red muy extensa con tomas de tierra de las masas de utilización
incorrectas (> 30Ω) TT TN-S IT, TN-C
Red perturbada (zona de tormentas) (ej. emisor de televisión o radio) TN TT IT
Red con corrientes de fuga elevadas (500 mA) TN IT, TT
Red con líneas áreas exteriores TT TN IT
Grupo electrógeno de seguridad IT TT TN
Receptores sensibles a las corrientes de defecto elevadas (motores.
etc.) IT TT TN
Receptores de bajo aislamiento (homos eléctricos, soldadores, herramientas de calefacción, terrnosumergibles, equipos para cocinas industriales)
TN TT IT
Numerosos receptores monofásicos fase-neutro (móviles, semifijos,
portátiles) TT, TN-S IT, TN-C
Receptores con riesgo (polipastos, líneas de transporte, etc.) TN TT IT
Numerosos auxiliares (máquinas-herramienta) TN-S TN-C TT
Instalaciones Eléctricas y Luminotecnia Capítulo III Página 28 de 77
Tipo de red Recomendado Posible No recomendado
estrella
Locales con riesgo de incendio IT, TT TN-S TN-C
Aumento de la potencia de alimentación BT de un abonado que
requiera un centro de transformación privado. TT
Instalación con modificaciones frecuentes TT TN, IT
Instalación en la que la continuidad de los circuitos de tierra sea
insegura (obras, instalaciones antiguas) TT TN-S TN-S, IT
Equipos electrónicos: ordenadores, autómatas programables TN-S TT TN-C
Red de control y mando de máquinas y captadores actuadores de
autómatas programables. IT TN-S, TT
Tabla 6: Formas para la selección del ECT
1.7.3 Conclusiones
Con un sólo ECT, en la mayoría de los casos, no existe la solución ideal, por lo que es conveniente, en muchos casos, usar varios ECT en una misma instalación.
En general, es preferible una instalación en “rastrillo” (en la que se distinguen bien los servicios preferentes y los no preferentes, en la que se utilizan fuentes de emergencia o socorro, o alimentaciones sin interrupción) que una instalación monolítica en árbol.
1.8 DISPOSITIVOS DE PROTECCIÓN DE CORRIENTE DIFERENCIAL RESIDUAL (DDR) (ILUSTRACIÓN 51)
1.8.1 Tipos de DDR
Los dispositivos que realizan la protección diferencial se denominan "dispositivos de protección de corriente diferencial residual" (DDR) Existen tres tipos de DDR:
Interruptores diferenciales: Establecen, soportan y cortan corrientes en las condiciones de servicio normales y provocan la apertura de los contactos cuando la corriente diferencial alcanza, en las condiciones especificadas un valor determinado denominado sensibilidad.
Interruptores automáticos diferenciales: Incluyen, además de la función diferencial, un dispositivo de protección contra las sobrecargas y los cortocircuitos
Relés o bloques diferenciales: Incluyen simplemente un detector de defecto que emite una señal. Están asociados mecánica o eléctricamente a un interruptor automático convencional y provocan su apertura
Ilustración 51: Tipos de DDR
1.8.2 Composición de los DDR Los DDR se componen de dos elementos:
el captador, que detecta la corriente de fuga
Instalaciones Eléctricas y Luminotecnia Capítulo III Página 29 de 77 Este relé compara la señal eléctrica que recibe, es decir, la corriente inducida, con un valor de referencia, el umbral de disparo que también se denomina, sensibilidad del DDR. (Ilustración 52)
Ilustración 52: Composición de un DDR 1.5.3.3 El Captador
La detección se realiza por medio de un transformador de corriente con forma de anillo cerrado, llamado núcleo toroidal. (Ilustración 53). La fase y el neutro se utilizan como devanados primarios El transformador se excita a través del campo magnético residual correspondiente a la suma de las corrientes que atraviesan la fase y el neutro. En cualquiera de los puntos de una Instalación eléctrica correctamente aislada la suma de las corrientes debe ser igual a cero. En caso de falla de aislamiento:
𝐼𝑎= 𝐼𝑟− 𝐼𝑑
Por lo que 𝐼𝑎> 𝐼𝑟 por tanto, existe un desequilibrio en el toroidal y se genera una corriente inducida, 𝐼𝑆en el secundarlo del transformador de corriente. Dicha corriente inducida equivale exactamente a la corriente de fuga, también denominada corriente diferencial residual
Ilustración 53: El captador de un DDR y sus corrientes 1.5.3.4 El relé electromagnético
Los relés electromagnéticos modernos de los DDR utilizan el principio del enganche magnético componen de: (Ilustración 54).
Un electroimán en forma de “U”
Un imán permanente situado en el interior de la “U”.
una placa giratoria que permite puentear el extremo abierto de la “U” para cerrar el circuito magnético. Esta placa está conectada a un mecanismo de disparo.
Instalaciones Eléctricas y Luminotecnia Capítulo III Página 30 de 77 Para funcionar, este Upo de relé toma la energía directamente de la corriente de defecto es la alimentación denominada "a propia corriente"
Ilustración 54: El relé electromagnético
La bobina del electroimán está conectada al secundario del transformador de corriente. Cuando la corriente de fuga es nula la bobina no se alimenta y la atracción del imán permanente es superior a la del resorte, el circuito magnético permanece cerrado.
Si se produce un fallo, la corriente inducida genera fuerzas electromagnéticas que reducen el efecto de atracción del imán. Cuando la corriente es lo suficientemente elevada como para crear una fuerza electromagnética superior a la opuesta por el imán, la atracción del resorte hace bascular la placa giratoria que, a su vez, activa un mecanismo de disparo y abre el circuito. (Ilustración 55).
Ilustración 55: El relé electromagnético activado
1.8.3 Características Principales
El relé garantiza la seguridad en caso de ruptura del neutro Además, una vez reparado el neutro, no es necesario realizar ninguna intervención en las salidas aguas abajo. La seguridad queda asimismo garantizada, ya que el DDR dispara aunque el neutro está cortado.
Este tipo de relé garantiza una seguridad positiva. (Un aparato de seguridad positiva es cuando su disparo depende únicamente de la corriente de defecto, o el mismo no depende sólo de la corriente de defecto, sino de otras condiciones que producen que la seguridad esté garantizada, por ejemplo caída de tensión. Una caída de tensión importante puede hacer que la corriente de defecto no haga actuar la protección, pero esta misma caída hace que la tensión tome valores no peligrosos.
1.8.4 Comprobación de un DDR
Se recomienda llevar a cabo una prueba periódica, cada 6 meses como mínimo, y aconsejada cada mes, con objeto de localizar posibles fallos internos Dicha prueba se realiza gracias a una resistencia en paralelo que simula una corriente de fuga capaz de disparar el dispositivo diferencial.
Dado que la intensidad de prueba equivale a (𝑈 𝑅⁄ ), es importante comprobar la tensión de utilización. Es preferible realizar la prueba mediante el pulsador integrado en el producto antes que utilizar un comprobador independiente, pues éste requiere que durante la prueba se desconecten las líneas aguas abajo para evitar verse afectado por fallos que ya existían en la instalación. (Ilustración 56).
Instalaciones Eléctricas y Luminotecnia Capítulo III Página 31 de 77 Ilustración 56: Comprobación de un DDR
1.8.5 Características técnicas de un DDR
1.5.3.5 Curvas de disparo
Tienen en cuenta:
Los efectos de la corriente en caso de protección contra los contactos directos.
la tensión de seguridad y la curva de seguridad en caso de protección contra tos contactos indirectos las curvas tienen dos tipos de límites: (Ilustración 57).
o Caso de contacto directo: el disparo debe ser instantáneo y el límite de corriente 𝐼∆𝑁 debe estar por debajo de la curva a que représenla el umbral de fibrilación cardiaca
o Caso de contacto indirecto: el límite de tiempo, 𝑓(𝐼𝑑⁄𝐼∆𝑁), el disparo debe producirse antes de alcanzar la duración máxima de contacto indicada por la curva 𝑈𝑐 = 𝑓(𝑡) correspondiente a entornos húmedos. Dicha duración es infinita para 𝑈𝑐< 50𝑉 y disminuye a medida que la tensión aumenta. En términos absolutos, el tiempo 𝑡𝑑≠ 0, está comprendido entre 𝑡𝑑−𝑀𝐼𝑁< 𝑡𝑑< 𝑡𝑑−𝑀𝐴𝑋, según la corriente de defecto. Además, la regulación de la sensibilidad del DDR debe estar comprendida entre 𝐼∆𝑁
2 ↔ 𝐼∆𝑁.
Ilustración 57: Curvas de disparo de los DDR 1.5.3.6 Decalaje por temperatura
El decalaje por temperatura en los DDR es similar a los de los interruptores automáticos10. El aumento de temperatura afecta
la corriente nominal que por él puede circular. Por arriba de los 40ºC se produce un decalaje en las corrientes de operaciones que debe ser consultada en los catálogos de los fabricantes.
1.5.3.7 Decalaje en frecuencia
10 Veremos Interruptores automáticos en el capítulo VII.
Instalaciones Eléctricas y Luminotecnia Capítulo III Página 32 de 77 Los relés de los DDR son sensibles a la frecuencia de la señal. La sensibilidad es sometida a un decalaje tal y como indican las curvas siguientes de la Ilustración 57. No obstante se considera que no hay decalaje entre 50 Hz y 60Hz.
Según las normas internacionales (IEC 479-2), el cuerpo humano es menos sensible al paso de la corriente a 400 Hz, por ello, a pesar de la menor sensibilización de los diferenciales, estos aparatos garantizan siempre la protección de las personas. El método de elección de los DDR a 400 Hz es por tanto el mismo que a 50 Hz. (Ilustración 58).
Ilustración 58: Decalaje por frecuencia de los DDR 1.5.3.8 Resistencia a los cortocircuitos
Los relés diferenciales no presentan características de resistencia a los cortocircuitos debido a que están protegidos por el Interruptor automático asociado.
Por tanto este apartado sólo se refiere a los interruptores diferenciales. El Interruptor diferencial, tiene un poder de corte y una resistencia a las corrientes de cortocircuito limitados, por lo que debe protegerse contra los cortocircuitos aguas abajo.
Por otro lado, el interruptor diferencial debe estar protegido contra las sobrecargas. Dichas protecciones pueden realizarse mediante fusibles o Interruptores automáticos.
Gracias a la limitación de los interruptores automáticos11, el interruptor diferencial puede soportar corrientes de cortocircuito
superiores a lo que resisten por sí solos. (Ilustración 59).
Ilustración 59: Resistencia a los cortocircuitos
Se admite que cuando el interruptor diferencial y los interruptores automáticos aguas abajo se encuentran en un mismo cuadro (Ilustración 60), construido según las reglas establecidas, la protección del interruptor diferencial contra las corrientes de cortocircuito puede realizarse porcada uno de los interruptores automáticos situados aguas abajo12.
11 Ver limitación de la corriente de cortocircuito en el capítulo VII de esta materia. 12 La municipalidad de Bahía Blanca no permite esta forma de montaje.
Instalaciones Eléctricas y Luminotecnia Capítulo III Página 33 de 77 Ilustración 60: caso de instalación en tableros
Las características de los interruptores diferenciales son las siguientes: o corriente asignada (𝐼𝑁).
o corriente diferencial de funcionamiento asignada (𝐼∆𝑁). o poder de cierre y de corte asignado (𝐼𝑚).
o poder de cierre y de corte diferencial asignado (𝐼∆𝑚). o corriente condicional de cortocircuito asignada (𝐼𝑛𝑐). 1.8.6 Protección contra los disparos intempestivos
1.8.6.1 Introducción
Cuando en una red eléctrica sana el usuario detecta disparos intempestivos. Estos se deben por lo general a corrientes de fuga transitorias que se dirigen a tierra a través de una capacidad. Estos disparos no deseados, ni necesarios, tienen distinto origen:
sobretensiones atmosféricas,
sobretensiones de maniobra,
puesta bajo tensión de circuitos que presentan una fuerte capacidad con la tierra
corrientes de fuga de alta frecuencia.
corrientes de fuga permanentes a 50 Hz.
Existen varias soluciones compatibles con el respeto de las curvas de seguridad que permiten obtener un alto nivel de inmunidad a las corrientes transitorias.
1.8.6.2 Cegado o inhabilitación de los DDR
El cegado o inhabilitación de un DDR es un fenómeno muy grave por dos razones: (Ilustración 61).
hace que no se disparen los DDR, poniendo así en peligro la seguridad de los bienes y las personas
no puede detectarse de forma automática, ya que nada indica la presencia de corrientes de frecuencias elevadas y aún menos el hecho de que esta corriente Inhabilita el diferencial.
Las causas de dicha inhabilitación son las siguientes:
comercies de fuga con componente continua.
corrientes de frecuencia elevada.
frío extremo.
Cuando existen motivos para pensar que se están produciendo o se podrían producir dichos fenómenos en nuestra Instalación, deben elegirse DDR inmunizados.
Instalaciones Eléctricas y Luminotecnia Capítulo III Página 34 de 77
Ilustración 61: Cegado o inhabilitación de los DDR 1.8.6.3 Comportamiento en presencia de una componte continua
La alimentación de numerosos aparatos y máquinas incluye dispositivos rectificadores (diodos, tiristores, triacs, etc.). En caso de defecto de aislamiento aguas abajo de estos dispositivos, la corriente de fuga hacia la tierra puede conllevar una componente continua que, según su diseño, puede cegar en mayor o menor medida los dispositivos diferenciales. La Comisión Electrotécnica Internacional ha clasificado los dispositivos diferenciales en 3 categorías según su funcionamiento en presencia de una corriente de defecto que presente una componente continua: (Ilustración 62)
Clase AC: diferencial para el cual el disparo queda garantizado ante corrientes diferencia les alternas sinusoidales tanto si se aplican de forma brusca como si aumentan lentamente.
Clase A: diferencial para el cual el disparo queda garantizado ante corrientes diferenciales alternas sinusoidales, así como ante corrientes diferenciales continuas pulsantes, tanto si se aplican de forma brusca como si aumentan lentamente.
Clase B: diferencial para el cual el disparo queda garantizado ante corrientes diferenciales alternas sinusoidales, así como ante corrientes diferenciales continuas pulsantes o continuas, tanto si se aplican de forma brusca como si aumentan lentamente.
Ilustración 62: Categorías según la componente continua
Según la ley de Faraday, una corriente inducida en un toroidal se crea como consecuencia de una variación del campo magnético ∆𝜑. Una señal en corriente alterna:
𝑒 = 𝑁.𝜕𝜑 𝜕𝑡
Genera una variación ∆𝜑1 que crea una corriente residual suficiente como para hacer que funcione el relé. Una señal en corriente continua no posee componente negativa. En tal caso, el ciclo de histéresis del núcleo magnético no está completo y ∆𝜑2 es demasiado débil como para crear una tensión suficiente que provoque una corriente residual inducida (Ilustración 63).
Instalaciones Eléctricas y Luminotecnia Capítulo III Página 35 de 77
Ilustración 63: Flujos producidos ante la señal contínua Existen dos soluciones para este problema: (Ilustración 64)
Asociar el toroidal con un condensador, lo que permite en la salida una tensión más elevada y relativamente sinusoidal.
Utilizar un núcleo magnético toroidal de ciclo de histéresis "plano" (con débil inducción remanente) para ampliar el ciclo de histéresis y aumentar así ∆𝜑.
Instalaciones Eléctricas y Luminotecnia Capítulo III Página 36 de 77 1.9 EJEMPLOS DE APLICACIÓN
1.9.1 Con interruptor diferencial (Ilustración 65)
Ilustración 65: Caso de interruptor diferencial
1.9.2 Con interruptor automático diferencial (Ilustración 66)
Instalaciones Eléctricas y Luminotecnia Capítulo III Página 37 de 77
1.9.3 Con bloque diferencial (Ilustración 67)
