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Cuaderno Técnico nº 178 El esquema IT (neutro aislado) de los esquemas de conexión a tierra BT François JULLIEN Isabelle HERITIER

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Cuaderno Técnico nº 178

El esquema IT (neutro aislado) de losesquemas de conexión a tierra BT

François JULLIENIsabelle HERITIER

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La Biblioteca Técnica constituye una colección de títulos que recogen las novedadeselectrotécnicas y electrónicas. Están destinados a Ingenieros y Técnicos que precisen unainformación específica o más amplia, que complemente la de los catálogos, guías de producto onoticias técnicas.

Estos documentos ayudan a conocer mejor los fenómenos que se presentan en las instalaciones, lossistemas y equipos eléctricos. Cada uno trata en profundidad un tema concreto del campo de lasredes eléctricas, protecciones, control y mando y de los automatismos industriales.

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La reproducción total o parcial de este Cuaderno Técnico está autorizada haciendo la mención obligatoria:«Reproducción del Cuaderno Técnico nº 178 de Schneider Electric».

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Cuaderno Técnico n o 178

François JULLIEN

Trabaja desde 1987 en la actividad Baja Tensióndel Grupo Schneider.

Diplomado ingeniero en 1996 por elConservatoire National des Arts et Métiers, pasaa ser responsable del equipo técnico electrónicoen la actividad Baja Tensión de Potencia, conuna especial dedicación a seguir desarrollando lagama de los sistemas Vigilohm para el control delaislamiento de las redes eléctricas y la búsquedade defectos de aislamiento.

Isabelle HERITIER

Diplomada en ingeniería por el ENSERG (EcoleNationale Supérieure d’Electronique et deRadioélectricité de Grenoble), entró en MerlinGerin en 1989.

Sucesivamente ha sido responsable deldesarrollo de un sistema de control deaislamiento para la Marine Nationale, despuésingeniero de apoyo de la fuerza de venta, yfinalmente jefe de producto de la gama de relésdiferenciales, controladores de aislamiento yaparatos comunicantes.

Actualmente es gerente de producto de losinterruptores automáticos BT de 100 a 600 A.

El esquema IT (neutro aislado) de losesquemas de conexión a tierra en BT

Trad.: J.M. Giró

Original francés: diciembre 1998

Versión española: mayo 2001

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Cuaderno Técnico Schneider n° 178 / p. 4

C1 para la fase 1, C2 para la fase 2 y C3 para lafase 3: Componentes capacitativas de laimpedancia a tierra de cada fase.

CP (en terminología anglosajona PE): Conductorde protección (nota del traductor).

CR: Capacidad global de la red (capacidades defuga de los cables y de los posibles filtros).

DDR: Dispositivo de corriente DiferencialResidual.

DPCC: Dispositivo de Protección ContraCortocircuitos.

IC: Corriente capacitativa.

Id: Corriente de defecto que circula por laresistencia de la toma de tierra RA de la masade utilización.

I fu : Corriente de fusión del fusible en un tiempomáximo dado por las normas.

Im: Corriente de disparo (umbral) de cortoretardo (magnético o electrónico) de uninterruptor automático.

IN: Corriente capacitativa que recorre laconexión entre neutro y tierra, especialmente através de una impedancia ZN, cuando existe.

JdB : Juego de Barras.

L: Longitud de los circuitos defectuosos.

m: Razón entre las secciones del conductoractivo y la sección del conductor de protección(Sa/SCP).

ρρρρρ: Resistividad del cobre.

R1 para la fase 1, R2 para la fase 2 y R3 para lafase 3: Componentes resistivas de la impedanciaa tierra de cada fase.

Ra: Resistencia del conductor activo (fase oneutro) del circuito en el que se produce eldefecto.

RA: Resistencia de la toma de tierra de lasmasas de utilización.

RB: Resistencia de la toma de tierra del neutro.

RCP: Resistencia del conductor de protección.

Rd: Resistencia de defecto.

Sa: Sección del conductor activo.

SCP: Sección del conductor de protección.

UC: Tensión de contacto entre la masa de unaparato con defecto y otra masa o tierra.

U0: Tensión simple, neutro-fase.

UL: Tensión límite de seguridad (24 V), que nose ha de sobrepasar, entre la masa de unaparato y otra masa o tierra.

Un: Tensión nominal o tensión compuesta, fase-fase (U1, U2, U3), igual a 3 . U0 de un circuitoeléctrico trifásico.

Ur: Tensión de red.

ZN: Impedancia adicional conectada entre elpunto neutro de una red en esquema deconexión a tierra IT y tierra.

ZR: Impedancia global de una red respecto atierra, compuesta por los elementos capacitativosC1, C2, C3 y resistivos R1, R2, R3.

Terminología

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Cuaderno Técnico Schneider n° 178 / p. 5

El esquema IT (neutro aislado) de losesquemas de conexión a tierra en BT

Todos los esquemas de conexión a tierra –ECT– ofrecen el mismo grado deseguridad a los usuarios, pero tienen características diferentes de explotación.

Por este motivo, en ciertos países, la elección viene impuesta por las leyes ynormativas según el tipo de edificio. Por ejemplo, en Francia (y también en España)el esquema IT es obligatorio en los quirófanos de los hospitales y el TN-C estáprohibido en los locales con riesgo de explosión.

Aparte de estas obligaciones, son los objetivos de calidad (seguridad,disponibilidad, fiabilidad, mantenibilidad y buen funcionamiento de los sistemascomunicantes de baja corriente) los que permiten determinar el ECT que hay queutilizar en una instalación concreta.

El objetivo de este Cuaderno Técnico es mostrar la utilidad y el campo de aplicacióndel ECT IT.

Después de un rápida presentación del riesgo eléctrico y de los diferentes ECT, seestudia, ante todo, el primer defecto y después el defecto doble, concretamentereferidos al esquema IT, indicando las ventajas e inconvenientes de este ECT. EsteCuaderno Técnico trata también la actuación del limitador de sobretensión (CPA)ante los diversos tipos de sobretensiones que pueden presentarse.

Acaba este Cuaderno Técnico con una tabla de comparación y elección de todoslos ECT a partir de los criterios de seguridad, disponibilidad, compatibilidadelectromagnética y exigencias profesionales de los usuarios.

1 Introducción 1.1 La protección de personas contra contactos eléctricos p. 6

1.2 Los diferentes ECT normalizados p. 6

1.3 Elección de un ECT p. 9

1.4 Naturaleza del aislamiento p. 9

1.5 Esquema equivalente de una red con neutro aislado o impedante p. 10

2 El primer defecto de aislamiento 2.1 Cálculo de las corrientes de defecto y de la tensión de contacto p. 11en el esquema I T con un primer defecto

2.2 Los controladores permanentes de aislamiento: historia y principios p. 14

2.3 La búsqueda del primer defecto de aislamiento p. 16

3 El segundo defecto de aislamiento 3.1 Análisis del doble defecto de aislamiento p. 18en el esquema IT 3.2 Eliminación del doble defecto de aislamiento p. 20

4 Características especiales 4.1 Sobretensiones en el esquema IT p. 22en el esquema IT 4.2 Los limitadores de sobretensión p. 24

4.3 ¿Por qué utilizar una impedancia? p. 25

5 Ventajas e inconvenientes 5.1 Una mayor disponibilidad p. 26

del esquema IT en BT 5.2 Mayor seguridad frente al riesgo de incendio p. 26

5.3 Medios de paro en los circuitos de mando y control p. 27

5.4 Límites y precauciones de empleo del esquema IT p. 27

6 Conclusión 6.1 La disponibilidad: una necesidad creciente que hay que satisfacer p. 31

6.2 El esquema IT encuentra su verdadero emplazamiento p. 31

6.3 Ventajas de una mayor seguridad p. 32

6.4 En resumen p. 32

7 Bibliografía p. 33

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Cuaderno Técnico Schneider n° 178 / p. 6

1 Introducción

1.1 La protección de personas contra contactos eléctricos

El uso de muy bajas tensiones de seguridad–MBTS– (< 25 V) es la solución más radical,puesto que elimina el riesgo eléctrico, pero sólose puede aplicar en la distribución de pequeñaspotencias.

En el uso normal de la electricidad, diversosestudios han permitido distinguir los choqueseléctricos según su origen para, después poderaplicarles soluciones específicas.

Los contactos o choques eléctricos se originande dos modos diferentes:

n o por contacto directo, que es el caso de unapersona o animal que toca un conductor desnudocon tensión,

n o por contacto indirecto, que es el caso deuna persona que toca la envolvente metálica deun receptor eléctrico que tiene un defecto deaislamiento.

Protección contra contactos directos

La medidas de protección para protegerse contralos contactos directos son el aislamiento y laseparación o distanciamiento. Estas medidaspueden reforzarse, en distribución final, mediantela protección, llamada complementaria, queaporta la instalación de Dispositivos Diferencialesde corriente Residual –DDR– de alta sensibilidad.

Protección contra contactos indirectos

Por lo que se refiere a la protección contra loscontactos indirectos, es decir, los contactosentre una masa puesta accidentalmente bajotensión y tierra, la solución consiste en conectara tierra todas las masas de los receptoresmediante los conductores de protección. Peroesta disposición no excluye la existencia de unatensión de contacto, peligrosa para las personassi es mayor que la tensión límite convencional deseguridad UL, definida por la norma CEI 60479.

Esta tensión de contacto depende de losEsquemas de Conexión a Tierra –ECT–normalizados a nivel internacional (CEI 60364).

1.2 Los diferentes ECT normalizados

Los tres ECT normalizados a nivel internacional(CEI 60364) están actualmente recogidos engran número de normas nacionales: en Francia,por la norma de instalación BT NF C 15-100; enEspaña, en el REBT (MIBT-008). Sin embargo,conviene recordar aquí de forma resumida elprincipio de funcionamiento de estasprotecciones, antes de entrar detalladamente enel esquema IT.

El esquema TN

n Principio

o el neutro del transformador se conecta a tierra,

o las masas de los receptores eléctricos estánconectadas al neutro.

Este tipo de ECT permite tres configuracionesprácticas diferentes:

o un único y mismo conductor sirve de neutro yde conductor de protección: es el esquema TN-C,

o el neutro y el conductor de protección estándiferenciados físicamente: es el esquema TN-S,

o y se puede usar también la coexistenciasimultánea de estos esquemas, llamadoesquema TN-C-S, consistente en que el neutro yel conductor de protección están separadosaguas abajo de una parte de una instalaciónhecha en TN-C. Hay que indicar que el TN-S nopuede estar aguas arriba del TN-C.

n Funcionamiento (figura 1 )

Un defecto de aislamiento en una fase seconvierte en un cortocircuito y la parte de lainstalación con defecto se desconecta medianteun Dispositivo de Protección ContraCortocircuitos –DPCC–.

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Cuaderno Técnico Schneider n° 178 / p. 7

El esquema TT

n Principio

o el neutro del transformador está conectado atierra,

o las masas de los receptores eléctricos estántambién conectadas a una toma de tierra.

n Funcionamiento (figura 2 )

La corriente de defecto de aislamiento estálimitada por la impedancia de las tomas de tierra.La protección queda asegurada por losdispositivos de corriente residual –DDR–: lazona con defecto se desconecta en cuanto lacorriente de defecto sobrepasa el umbral dedisparo I∆n del DDR colocado aguas arriba, detal manera que I∆n.RB ≤ UL.

El esquema IT

n Su principio

o el neutro del transformador no está conectadoa tierra. En teoría está aislado de la tierra. Dehecho, está naturalmente conectado a tierra através de las capacidades parásitas de loscables de la red y/o voluntariamente mediante unaimpedancia de valor elevado, aproximadamenteunos 1500 Ω (neutro impedante),

Fig. 2: Defecto de aislamiento en una red explotadaen TT.

o las masas de los receptores eléctricos estánconectadas a tierra.

n Funcionamiento

o si se produce un defecto de aislamiento, sedesarrolla una pequeña corriente debido a lascapacidades parásitas de la red (figura 3a ).

Fig. 1: Defecto de aislamiento en una red explotada en TN-C (a), TN-S (b) y TN-C-S (c).

N

DPCC

CPN

RB

UdRd

d

N

CP

RB

UdRd

d

DPCC

CP

N

CPN

RB

Id

UdRd

DPCC

123N

CP

a)b)

c)

N

DDR

RB RA

UdRd

Id

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Cuaderno Técnico Schneider n° 178 / p. 8

La tensión de contacto que aparece en la tomade tierra de las masas (más o menos de algunosvoltios) no representa ningún peligro,

o si se presenta un segundo defecto deaislamiento en otra fase, cuando todavía no hasido eliminado el primero (figuras 3b y 3c), lasmasas de los receptores afectados pasan alpotencial producido por la corriente de defectoen los conductores de protección (CP) que los

interconecta. La protección queda aseguradapor los DPCC (caso de masas interconectadasmediante el CP) o por los DDR (caso de masasque tengan tomas de tierra distintas).

Es evidente que esta presentación de losdiversos ECT, voluntariamente rápida, no permiteabordar todas las particularidades de instalación.El lector encontrará otros datos de interés en losCuadernos Técnicos números 114, 172 y 173.

Fig. 3: Defecto de aislamiento simple (a) y doble (b y c) en una red explotada en IT.

Ud

N

RB

Controlpermanentede aislamiento(CPA)

ZN: impedanciafacultativa

Limitadordesobre-tensión

321

CP

IC1 IC2 IC3

C1 C2 C3

IC

IC

IN

Id

Id

Id

ZN

N

Id

Id

RB

Controladorpermanentede aislamiento(CPA)

Limitadordesobre-tensión

321N

CP

DPCC

Ud1Rd1

DPCC

Rd2Ud2

Id

Id

N

d

d

d

d

d

RB

Controladorpermanentede aislamiento(CPA)

Limitadordesobre-tensión

321N

CPCP

DDR

DPCC

RA

Ud1Rd1

DPCC

Rd2Ud2

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Cuaderno Técnico Schneider n° 178 / p. 9

1.3 Elección de un ECT

Aunque los tres esquemas de conexión a tierraofrecen el mismo grado de seguridad a losusuarios contra los contactos indirectos, sólo elesquema IT permite continuar sin riesgo laexplotación al aparecer un primer defecto deaislamiento.

Pero esta ventaja innegable tiene ciertasexigencias y precauciones, por ejemplo: lanecesidad de buscar el primer defecto y laposibilidad de que aparezcan sobretensionesque puedan afectar al funcionamiento de losreceptores sensibles.

Sin embargo, la elección del ECT de unainstalación depende también, además de laseguridad de las personas y de la continuidaddel suministro, de otros factores:

n el entorno (por ejemplo, locales con riesgo deincendio o emplazamientos con caídasfrecuentes de rayos),

n la compatibilidad electromagnética –CEM–(presencia en la instalación de armónicos y decampos radiantes y la sensibilidad de losequipos a estos fenómenos),

n la cualificación técnica de los diseñadores yusuarios de la instalación,

n la calidad y el coste del mantenimiento,

n lo extenso de la instalación,

n ...

Si el análisis de todos estos factores garantizala elección del ECT que mejor se adapta a unainstalación, hay que destacar que la ventaja queaporta el IT en cuanto a la disponibilidad(segundo defecto muy improbable) obliga acostes de instalación y de explotación que hayque comparar con los costes de una parada enlos otros ECT (pérdida de explotación y gastosde reparación del primer defecto de aislamiento).

1.4 Naturaleza del aislamiento

La impedancia en modo común

Toda red eléctrica presenta una impedanciarespecto a tierra que se denomina «impedanciade modo común», cuyo origen está en elaislamiento de los cables y de los receptores dela red. Esta impedancia se compone de laresistencia y la capacidad de fuga entre cadaconductor activo y tierra.

En BT, la resistencia de fuga de un cable nuevoes, para una fase y por kilómetro, del orden de10 MΩ, mientras que su capacidad,uniformemente repartida respecto a tierra, es,aproximadamente de 25 µF, o sea, 12,7 kΩa 50 Hz.

Por otra parte, hay que destacar que en MT y enAT esta capacidad de fuga es todavía másimportante y debe de ser necesariamente tenidaen cuenta al efectuar los estudios de un plan deprotección (Cuaderno Técnico nº 62).

También los receptores tienen una capacidadnatural de fuga, que suele ser despreciable.

Incidencia de la capacidad distribuida en elesquema IT

En las instalaciones eléctricas se añaden otrascapacidades a las de los cables de la red. Estosucede con ciertos receptores electrónicos quegeneran corrientes armónicas de AF,especialmente cuando utilizan el principio

«troceador» (convertidores por modulación deancho de impulso, por ejemplo). Por otra parte,las normas relativas a la compatibilidadelectromagnética –CEM– obligan a que estascorrientes de AF se deriven a tierra, de ahí lapresencia de filtros, y por tanto decondensadores, entre fases y masa.

Según el número de estos receptores, sucontribución a la capacidad «de fuga» de una redpuede resultar significativa y hasta importante.

Diversas medidas efectuadas en diversas redeseléctricas de potencia ponen de manifiesto quela capacidad varía mucho de una red a otra y sesitúa entre algunos µF y varias decenas de µF.

Puede darse el caso de que algunas de estascapacidades, demasiado importantes, pongan enentredicho el interés del esquema IT: si, con unprimer defecto, el valor de la impedancia de la redrespecto a tierra hace que la tensión de contactoa tierra sobrepase los 50 V, la seguridad de laspersonas no queda asegurada. Este caso esraro, puesto que, con una toma de tierra de 10 Ω,hace falta una capacidad de fuga a tierra de lared superior a 70 µF (23 µF por fase, si no sedistribuye el neutro).

Por tanto, una red IT deberá presentar unacapacidad limitada respecto a tierra y, durante eldiseño de la red, deberá tenerse en cuenta lapresencia de receptores equipados con filtros AF.

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Cuaderno Técnico Schneider n° 178 / p. 10

1.5 Esquema equivalente de una red con neutro aislado o impedante

He aquí algunas definiciones e hipótesis paraefectuar el esquema equivalente de este tipo dered (figura 4 ):

n el punto neutro está aislado o conectado atierra mediante una impedancia (ZN) de valorelevado (generalmente de 1 a 2 kΩ) cuya tomade tierra es equivalente a una resistencia (RB),

n la masas de los receptores estáninterconectadas o totalmente o formandogrupos. Debido a la CEM (Cuaderno Técniconº 187), es aconsejable interconectar todas lasmasas de utilización de una misma instalación yconectarlas a su vez a una misma toma de tierra(resistencia RA),

n las tomas de tierra (RA y RB) estáninterconectadas (que es lo más frecuente) o sonindependientes.

Nota: dos tomas de tierra se consideranindependientes si están separadas más de 8 m.

n cada conductor activo presenta, respecto atierra, una impedancia que se compone de unaresistencia y una capacidad.

El esquema definido de esta forma puedesimplificarse despreciando las resistenciasrespecto a las impedancias, teniendo en cuentasus respectivos valores a 50 Hz.

Fig. 4: Esquema equivalente de una red con neutro aislado o impedante.

N

ZN

RB

321N

CP

CN C1 C2 C3RN R1 R2 R3

RA

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2 El primer defecto de aislamiento en el esquema IT

En condiciones normales de explotación, laseguridad de las personas queda aseguradacuando la tensión de contacto es inferior a 50 V,según la norma CEI 60364 (NF C 15-100).Cuando se sobrepasa esta tensión de contacto,

2.1 Cálculo de las corrientes de defecto y de la tensión de contacto con un primer defecto

Caso general (defecto resistivo)

Cuando se produce un defecto de valor resistivoRd entre la fase 3 y tierra, circula una corrientede defecto Ιd a través de la impedancia deneutro y de las capacidades C1, C2 y C3(figura 3a ). Con la hipótesis de que lascapacidades fase-tierra estén equilibradas(C1 = C2 = C3 = C), la corriente de defecto tieneel valor:

I Nd 0

d N N d

1 3j C ZU

R Z 3j C Z R+=

+ +ω

ω

La corriente capacitativa se expresa:

I Nc 0

d N N d

3j C ZU

R Z 3j C Z R+=

+ +ω

ω

y la corriente en la impedancia ZN es:

I 0N

d N N d

UR Z 3j C Z R

=+ + ω

.

La tensión de contacto UC (tensión de contactoentre la masa del aparato con defecto y otramasa o tierra) se calcula a partir de la corrientede defecto Id que circula a través de laresistencia de la toma de tierra RA de las masasde utilización si éstas no están interconectadas;en caso contrario se utiliza RB (sólo la toma detierra de red): UC = RA . Id.

Caso de defecto franco

En este apartado, los cálculos se hacen para laconfiguración que provoca la tensión decontacto (UC) más importante, por tanto, para undefecto que se produzca en una masa con latoma de tierra separada de la de ZN.

Aplicando las fórmulas anteriormente citadas,con Rd = 0, se tiene:

I 0d

N

UZ 3j C

=+ ω

0c A

N

UU R

Z 3j C=

+ ω

La corriente capacitativa es igual a:

IC = +3j Cω U0

y la corriente en la impedancia ZN:

I 0N

N

UZ

= .

En los casos siguientes, estudiados para ZN = ∞(neutro aislado) y ZN = 1 kΩ (neutro impedante),los cálculos se efectúan para una red conesquema IT, de 400 Vca (U0 = 230 V), con:

RA: resistencia de la toma de tierra =

= 10 Ω.Rd: valor del defecto de aislamiento =

= de 0 a 10 kΩ.

n Caso 1º:

Red muy poco capacitativa (por ejemplo limitadaa un quirófano)

C1 = C2 = C3 = C = 0,3 µF por fase.

n Caso 2º:

Red de potencia, con

C1 = C2 = C3 = C = 1,6 µF por fase.

n Caso 3º:

Red extensa de potencia, con

C1 = C2 = C3 = C = 10 µF por fase, ¡o sea,alrededor de 40 km de cables!

estas mismas normas obligan a que el circuitoabra automáticamente. El resto del capítulodemuestra por qué la explotación de una red conECT IT permite que no haya disparo con elprimer defecto de aislamiento.

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Cuaderno Técnico Schneider n° 178 / p. 12

Los resultados de todos estos cálculos, reunidosen la tabla de la figura 5 , confirmanperfectamente el bajo valor de la tensión dedefecto (≈ 20 V en los casos másdesfavorables) que permite mantener enservicio y sin peligro para las personas una reddiseñada con esquema IT. Demuestra tambiénque el añadir una impedancia entre el neutro y latierra no tiene prácticamente incidencia en lavariación de la tensión de contacto.

Las curvas de la figura 6 representan estosresultados mostrando claramente la granimportancia que tiene el valor de la capacidad dela red en el valor de UC.

De hecho, sea cual sea la capacidad repartidade la red sana o con un primer defecto, cualquierusuario puede recordar que esta tensión resultasiempre inferior a la convencional de seguridad,y por tanto, sin peligro para las personas;además, las corrientes de un primer defectofranco son bajas y en consecuencia pocodestructivas y poco perturbadoras (CEM).

Rd (kΩΩΩΩΩ) 0 0,5 1 10

Caso 1 ZN = ∞ UC (V) 0,72 0,71 0,69 0,22

CR = 1 µF Id (A) 0,07 0,07 0,07 0,02

ZN = 1kΩ UC (V) 2,41 1,6 1,19 0,21

Id (A) 0,24 0,16 0,12 0,02

Caso 2 ZN = ∞ UC (V) 3,61 2,84 1,94 0,23

CR = 5 µF Id (A) 0,36 0,28 0,19 0,02

ZN = 1kΩ UC (V) 4,28 2,53 1,68 0,22

Id (A) 0,43 0,25 0,17 0,02

Caso 3 ZN = ∞ UC (V) 21,7 4,5 2,29 0,23

CR = 30 µF Id (A) 2,17 0,45 0,23 0,02

ZN = 1kΩ UC (V) 21,8 4,41 2,26 0,23

Id (A) 2,18 0,44 0,23 0,02

Fig. 5: Cuadro comparativo de corrientes de defecto yde tensiones de contacto durante un primer defecto.

Fig. 6: La tensión de contacto durante un primer defecto de aislamiento es siempre inferior a la tensión deseguridad.

100

50

10

500(umbral aconsejado)

1

1 10 100 1000 1040,1 Rd ( )

Uc (V) conZn = 1 000 ohm

CR = 70 µF

CR = 5 µF

CR = 30 µF

CR = 1 µF

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Cuaderno Técnico Schneider n° 178 / p. 13

Incidencia de las capacidades distribuidas,diagrama vectorial y potencial de neutro

n Incidencia de las capacidades distribuidas enuna red sana

Las capacidades de las 3 fases crean un puntoneutro artificial. Si no hay ningún defecto deaislamiento y si las capacidades de esta redestán equilibradas, este punto neutro está alpotencial de tierra (figura 7 ).

En ausencia de defecto, el potencial fase-tierraes por tanto igual a la tensión simple paracada fase.

n Diagrama vectorial con un defecto franco

En caso de defecto franco en la fase 1, elpotencial de la fase 1 está al potencial de tierra(figura 8 ).

El potencial neutro-tierra es por tanto igual a latensión simple V1 y el potencial respecto a tierrade las otras dos fases, 2 y 3, es igual a la tensióncompuesta. Si el neutro está distribuido, lacorriente de defecto aumenta aritméticamente:IC = 4j Cω V1.

Sin embargo, para reducir el riesgo de unsegundo defecto simultáneo que llevaría a ladesconexión de los circuitos con defecto, ladetección y la localización para su reparación deeste primer defecto debe realizarse sintardanza.

Fig. 8: Diagramas vectoriales de una red en esquemaIT, sin defecto (a), y cuando la fase 1 tiene un defectoa tierra (b).

Fig. 7: Las capacidades repartidas de la red forman una conexión entre el neutro y la tierra.

T

NV2

V1

V3

I V1-T I = I V3-T I = I V2-T I

1T

3N

2

V1-T = 0

V3-T = V1 + V3

V2-T = V1 + V2

d C3

C2

v3v2

d = C = C2 + C3

C2 = j C v2

C3 = j C v3

C = 3j C V1

I d I = 3 C I V1 I

1

23

1

3 2

C C C 3C

Neutro artificial

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Cuaderno Técnico Schneider n° 178 / p. 14

2.2 Los controladores permanentes de aislamiento: historia y principios

Las primeras redes de distribución eléctrica BTse explotaron en régimen IT.

Pero muy pronto, los usuarios buscaron la formade detectar la presencia de un primer defecto deaislamiento para evitar los riesgos originadospor una corriente de cortocircuito más o menosimpedante y la desconexión de una de lasderivaciones (la de la protección de menorcalibre) o de las dos derivaciones con defecto.

Los primeros CPA

Utilizaban 3 lámparas conectadas entre cadauna de las fases y tierra (figura 9 ).

En una red sana las tres lámparas forman unreceptor trifásico equilibrado, quedandoencendidas las tres con un brillo similar. Alproducirse un defecto de aislamiento, una de lastres lámparas queda cortocircuitada por laimpedancia del defecto. La tensión en bornes deesta lámpara disminuye y por tanto suluminosidad. Por el contrario, la tensión enbornes de las otras dos lámparas aumenta hastala tensión compuesta y por tanto, su luminosidadaumenta.

Este sistema es simple tanto de instalar como deutilizar. Pero como su umbral de funcionamiento

es bajo, en seguida se hicieron ensayos paraintentar detectar los defectos de impedancia ypoderse anticipar así al defecto franco.

Para una red de corriente continua(alimentada por baterías o por generador de cc)

La técnica de equilibrio voltimétrico (figura 10 )fue la primera que se usó y todavía de utiliza ennuestros días.

El principio consiste en medir y comparar, poruna parte, las tensiones entre la polaridad (+) ytierra, y por otra, las tensiones entre la polaridad(-) y tierra.

Este principio permite liberarse de cualquieralimentación auxiliar puesto que la red alimentadirectamente el CPA a través de los captadores(resistencias) de medida. Esta técnica se aplicaa redes de corriente continua y de corrientealterna bifásica pero no permite hacer labúsqueda con tensión.

Para las redes de corriente alterna

Estos CPA, que miden el aislamiento porinyección de corriente continua, son los másutilizados.

La medida permanente de la resistencia deaislamiento necesita dejar de lado los sistemaspasivos y sustituirlos por los sistemas activos.Puesto que esta resistencia se mide bien concorriente continua (figura 11 ), los primerosCPA, colocados entre la red y tierra, inyectabanuna pequeña intensidad de cc que atravesaba eldefecto. Esta técnica, sencilla y fiable, se utilizamucho actualmente, pero, con tensión, nopermite buscar los defectos.

Nótese que estos CPA utilizados en redesmixtas (que tienen rectificadores no aisladosgalvánicamente) pueden verse afectados eFig. 9: Principio del primer CPA.

Fig. 10: Principio del CPA con distribución voltimétrica. Fig. 11: Principio del CPA con inyección de corriente.

Los pilotos indicanla fase defectuosa:aquí la nº 3

(1)

(2)

(3)

R R

La aguja indica lapolaridad con defecto:aquí el polo (-)

(+) (-)

N

RB

321N

CP

CPA

CPA

V

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Cuaderno Técnico Schneider n° 178 / p. 15

incluso quedar «cegados» si hay un defecto enla parte de corriente continua de la red.

Después se fabricaron CPA con inyección decorriente alterna de baja frecuencia (< 10 Hz).Funcionan con el mismo principio. Permiten labúsqueda del defecto, con tensión, pero pueden,por una parte, ser «engañados» por lascapacidades de los cables, que son vistas comodefectos de aislamiento y por otra, pueden verseafectados por los convertidores de frecuencia(variadores de velocidad).

Para todas las redes (ca y cc)

En la actualidad, puesto que las redes puedenser mixtas, ca/cc, y además, de frecuenciavariable, los aparatos nuevos han de sercapaces de controlar estos tipos de redes.

n Algunos utilizan señales cuadradas de muybaja frecuencia (≈ 1 Hz). Consiguen librarse delproblema de las capacidades de fuga a tierra,porque se cargan y descargan continuamentecon el semiperíodo siguiente de signo opuesto.Se utilizan universalmente y se adaptan bien alas redes modernas, en particular a las quealimentan sistemas con electrónica de potenciaque normalmente deforma la señal alterna. Encambio, su tiempo de respuesta, que dependede la capacidad de fuga a tierra de la red, puedellegar a varios minutos, lo que no les permitedetectar defectos pasajeros.

n Para paliar las limitaciones de utilización deestos CPA en las redes extensas o que tienenmuchos filtros capacitativos, la técnica deinyección de corriente alterna de baja frecuenciaha sido mejorada con la «demodulaciónsíncrona» (figura 12 ): este tipo de CPA aplicauna tensión alterna de baja frecuencia entre lared y tierra, mide la corriente de retorno a travésde la impedancia de aislamiento de la red ycalcula el defasaje tensión-corriente. De esta

Fig. 12: La técnica de inyección de corriente alterna de baja frecuencia se ha mejorado gracias a la«demodulación síncrona» que permite discernir un mal aislamiento (fugas resistivas) de las fugas capacitativas.

forma, es posible conocer las componentes,resistiva y capacitativa, de esta corriente y asíhacer depender el umbral solamente de lacomponente resistiva. Esta evolución, que se hapodido conseguir debido a la tecnología digital,reúne las ventajas de la inyección de corrientecontinua y corriente alterna de baja frecuenciasin sus limitaciones.

Las normas que se refieren a los CPA

n Las normas de fabricación

Desde febrero de 1997, existe la normaCEI 61557-8.

Define las prescripciones particulares de loscontroladores de aislamiento destinados asupervisar de forma continua, independiente-mente de su principio de medida, la resistenciade aislamiento respecto a tierra, tanto de lasredes con ECT IT en ca y cc no conectado atierra, como de las redes con ECT IT en ca quetengan rectificadores alimentados sinseparación galvánica (transformador conarrollamientos separados).

Su contenido incide especialmente en tresaspectos:

o Informar correctamente tanto a losprescriptores como a los instaladores.

El fabricante debe de dar las características delos aparatos que fabrica y especialmente las quepueden depender de la capacidad de la red(valores de los umbrales y tiempos de respuesta).

o Asegurar la integración satisfactoria de estosequipos en su entorno eléctrico.

Esto exige que estos aparatos sean conformescon las prescripciones de las normasCEI 61326-1 y 61326-10 que se refieren a laCompatibilidad Electromagnética –CEM–.

mA

V

BF~

BF

BF= UBF

UBF

RRed CRed

ZRed

R-BF

R-BF

C-BF C-BF

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o Garantizar la seguridad de utilización para losusuarios.

Esto exige, por una parte, que pueda hacerse untest de funcionamiento de este aparato sin tenerque insertar una impedancia adicional entre la redsupervisada y tierra, por otra, que los elementosde ajuste estén protegidos, para que no puedanmodificarse por descuido o por usuarios nohabilidosos y, por último, que los aparatos nosean desconectables (necesidad de utilizarherramientas para desmontarlos).

n Las normas de explotación

Por lo que se refiere al ajuste de los CPA, lanorma CEI 60364 da una primera respuesta:«Un CPA previsto adecuadamente... se ajusta aun valor inferior al valor mínimo de la resistenciade aislamiento fijada para la instalaciónconsiderada» o sea, mayor o igual a 0,5 MΩpara un circuito de tensión nominal mayor o iguala 500 V.

La guía NF C 15-100 precisa: «... ajustar a unvalor inferior aproximadamente un 20% inferior ala resistencia del conjunto de la instalación...».

Sin embargo, hay que distinguir perfectamente laresistencia de aislamiento de la instalación, queno tiene en cuenta la distribución eléctrica, y elvalor de aislamiento que se fija para lasupervisión del conjunto de la red, incluidas lasmáquinas y aparamenta conectadas.

En el capítulo anterior, se ha explicado que paradefectos superiores a 500 Ω la tensión decontacto no supera 5 V con una toma de tierrade 10 Ω (figura 5 ). Por tanto, en la práctica, enuna instalación industrial normal, es razonable,sin correr el riesgo de fijar el umbral bajo dealarma en un valor comprendido entre 500 y1000 Ω, tomar un valor que permita unabúsqueda eficaz (es decir, que permita localizarun defecto de aislamiento que ya ha sidodetectado).

Para organizar una búsqueda preventiva, esinteresante disponer de un primer umbral en unvalor próximo a unos 10 kΩ, por ejemplo. Estevalor de umbral se ha de ajustar según lascaracterísticas de la instalación y las exigencias.Hay que indicar que una red poco extensapermite un umbral preventivo más elevado.

2.3 La búsqueda del primer defecto de aislamiento

Para buscar este primer defecto, aunquealgunos usuarios se conforman con unaidentificación de la derivación defectuosa, serecomienda determinar con mucha precisión ellugar de este defecto, por ejemplo grieta en uncable o pérdida de aislamiento en un aparato,para proceder a la reparación lo másrápidamente posible.

Búsqueda cortando sucesivamente laalimentación de las salidas

Esta forma de búsqueda de defectos se citaúnicamente a título informativo. Consiste enabrir sucesivamente las salidas, empezando porlas principales. Al abrir la derivación defectuosa,la corriente inyectada por el CPA disminuyemucho, bajando por debajo del umbral dedisparo. Al interrumpirse la alarma sonora, quesuele depender del CPA, se sabe que es ésta laderivación defectuosa.

Este sistema, que obliga a interrumpir laexplotación de cada una de las salidas, escontrario a la filosofía de utilización del esquemaIT, que es, precisamente, la continuidad delservicio. Muy utilizado en el pasado, ha idodesapareciendo progresivamente con eldesarrollo de nuevos sistemas de búsqueda quepermiten encontrar el defecto con tensión(sin corte).

Buscar con tensión

n Detección de la corriente de defecto

Como ya se ha visto anteriormente (figura 3a )el primer defecto de aislamiento es recorrido poruna corriente Id de la misma frecuencia que lade la red (50 ó 60 Hz) que vuelve a la fuente através de las capacidades de las otras fasessanas y de la impedancia de neutro, si existe. Unprimer método de búsqueda con tensión (sincortar la distribución) fue utilizar una pinzaamperimétrica para medir la corriente «de fuga»a tierra de cada derivación. La salida defectuosaes la que indica un valor mayor.

Este método tiene dos inconvenientes:

o No es fiable en redes que tienen muchasderivaciones de las que, algunas, son muycapacitativas (¿cómo distinguir la corriente atierra de una salida de corta longitud y condefecto de una larga y capacitativa?).

o No puede aplicarse a una red que tiene pocasfugas capacitativas (la corriente de defecto esprácticamente imperceptible).

Para mejorar la detección del camino que siguela corriente de defecto (a frecuencia industrial)con una pinza amperimétrica, se pueden utilizardos artificios.

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Cuaderno Técnico Schneider n° 178 / p. 17

El primero consiste en aumentar el valor de lacorriente de defecto colocandomomentáneamente una impedancia de bajo valoren paralelo con el CPA.

El segundo tiende a distinguir las corrientes defuga capacitativa de las corrientes de defectoinsertando la impedancia citada periódicamentemediante un relé oscilante (unos 2 Hz).

n Detección de una corriente inyectada

Este método utiliza una señal senoidal de bajafrecuencia (≤ 10 Hz) inyectada por un generadoro un CPA. La elección de una baja frecuenciapara la búsqueda del defecto permite evitar lascapacidades de fuga de la red, pero estafrecuencia no puede ser inferior a 2,5 Hz,porque es difícil detectarla con un captadormagnético. Para encontrar el sitio exacto deldefecto, la búsqueda se efectúa con dispositivossensibles únicamente a la señal inyectada, quepueden ser fijos, con toroides de deteccióncolocados en cada salida, o portátiles, con unapinza amperimétrica sintonizada a la frecuenciade la señal (figura 13 ).

Cuando los dispositivos (generadores,captadores y receptor) son fijos, la búsquedacon tensión del defecto puede hacerseautomáticamente en cuanto se detecta undefecto, mediante una orden dada por el CPA.

Fig. 13: La búsqueda puede hacerse con dispositivos sensibles a la señal inyectada, que pueden ser portátileso fijos.

n Medida de aislamiento de cada salida oderivación

Los usuarios, cuyas necesidades de continuidaddel servicio van aumentando cada vez más, yano quieren esperar al primer defecto: necesitanpoder programar las actuaciones demantenimiento y, por tanto, conocer deantemano la derivación susceptible de sufrirpróximamente un defecto de aislamiento.

Para esto es necesario «seguir» la evolución delaislamiento de cada derivación y poder distinguirlas componentes (resistiva y capacitativa) delaislamiento. El principio de la demodulaciónsíncrona puede también utilizarse midiendo, poruna parte, la corriente de inyección que circulapor las salidas (gracias a los captadorestoroidales) y por otra, la tensión de inyección.

El desarrollo de este método de búsqueda hasido posible con la aplicación de las técnicasdigitales en la gestión de la distribución eléctrica(Cuaderno Técnico nº 186): el usuario puedemantener la supervisión, a distancia ypermanentemente, de la evolución del aislamientode las diversas salidas. La instalación de busesdigitales permite centralizar todas lasinformaciones en un supervisor, visualizarlas,dejarlas registradas y, por tanto, hacer unmantenimiento predictivo y esclarecedor.

N

RB

Generador BF (G)

CPA ( )

CP

CP

G

Receptor fijo para análisismanual o automático

Receptor manual

/ / / /

1 23 N

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Cuaderno Técnico Schneider n° 178 / p. 18

3 El segundo defecto de aislamiento en el esquema IT

3.1 Análisis del doble defecto de aislamiento

Como se ha explicado en el capítulo anterior, lagran ventaja de explotar una red con el esquemaIT consiste en la posibilidad de mantener ladistribución eléctrica cuando se produce undefecto de aislamiento que afecta a un circuito.Esta ventaja ha sido perfectamente valorada porlos editores de las normas que, para manteneralto el nivel de disponibilidad, recomiendan en lasnormas de instalación, señalizar y buscar elprimer defecto para no temer un segundodefecto; segundo defecto para el que tambiénestán previstas las protecciones a fin degarantizar el mismo nivel de seguridad para laspersonas que con los otros esquemas TN y TT.

En los dos apartados siguientes se estudian lascorrientes de defecto y la tensión de contactoque dependen de la forma de conexión de lasmasas a tierra, pudiéndose dar dos casos:

n las masas de los receptores están todasinterconectadas mediante un conductor deprotección CP, que es el caso más frecuente,

n las masas no están interconectadas y seconectan a tomas de tierra diferentes(configuración que hay que evitar debido aproblemas de CEM: Cuaderno Técnico nº 187).

En este apartado, las corrientes de defecto y lastensiones de contacto se calculan considerandodos defectos francos de aislamiento sobre dosconductores activos diferentes (sobre una fasey el neutro, si el neutro está distribuido, o sobredos conductores de fases diferentes, si el neutrono está distribuido) de dos circuitos de sección ylongitud idénticas.

Esta hipótesis, que lleva a una corriente dedefecto mínima, es la que habitualmente seutiliza para calcular las longitudes máximasprotegidas por los dispositivos de proteccióncontra cortocircuitos.

Tensión de contacto y corriente de defectodoble cuando las masas estáninterconectadas

Desde el momento en que se establece unacorriente de defecto entre dos masas condefecto, circula una corriente por el conductorde fase y por el conductor de protección CP, quees el que establece la interconexión de lasmasas (figura 3b ).

Esta corriente no está limitada más que por laimpedancia del bucle de defecto que es igual a lasuma de las impedancias de los conductoresactivos afectados y del circuito de lasconexiones equipotenciales (CP). Existendiversos métodos de cálculo de las corrientes dedefecto para una instalación eléctrica (CuadernoTécnico nº 158).

Aquí utilizaremos el método convencionalporque permite calcular los valores de lacorriente de defecto y de la tensión de contactosin tener que hacer excesivas hipótesis sobrelas características de la instalación. Por tanto,en este Cuaderno Técnico, se aplicará estemétodo para dar el orden de magnitud de lascorrientes y tensiones que intervienen alproducirse un defecto doble con el esquema IT.

Este método se basa en la hipótesissimplificadora que consiste en considerar quedurante el defecto la tensión en el origen de laderivación considerada es igual al 80% de latensión nominal de la instalación. Esto suponeque la impedancia de la derivación consideradarepresenta el 80% de la impedancia total delbucle de defecto y que la impedancia aguasarriba representa el 20%.

Para los cálculos que seguirán, tomaremos:

U' = tensión simple (= U0, si uno de los dosdefectos está sobre el neutro distribuido),oU' = tensión compuesta ( o3 U= , si no está

distribuido el neutro),

aa

LR

S= ρ = resistencia del conductor activo

(fase o neutro) del circuito en el que tiene lugarel defecto,

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Cuaderno Técnico Schneider n° 178 / p. 19

CPCP

LR

S= ρ = resistencia del conductor de

protección del circuito,

Sa = sección del conductor activo,

SCP = sección del conductor de protección,

L = longitud de los circuitos con defecto,

a

CP

Sm

S= = razón de las secciones de los

conductores activos y del conductor deprotección (normalmente ≤ 1).

n Considerando que los conductores activos y elCP de las dos derivaciones defectuosas tienensecciones y longitudes idénticas y despreciandosu reactancia, se tiene:

o si uno de los defectos está sobre el neutro:

I 0d

a CP

0,8 U2(R R )

=+

o sea

I ad 0

S0,8 U

2 (1 m) L=

o si el defecto doble afecta a dos conductoresde fase

I ad 0

S0,8 3 U .

2 (1 m) L=

n La tensión de contacto correspondiente es:UC = RCP Id, o sea:

o si uno de los defectos está sobre el neutro

c 0m

U 0,8 U ,2 (1 m)

=+

o bien,

o si el defecto doble afecta a dos conductoresde fase:

c 0m

U 0,8 3 U .2 (1 m)

=+

Nota: este método no se puede aplicar a unainstalación alimentada por un grupo electrógeno,porque durante el defecto la tensión en el origende la red considerada es baja (<< 0,8 Un),puesto que la impedancia del alternador es altarespecto a las impedancias de la red quealimenta. En este caso, sea el que sea el ECT,sólo se pueden aplicar los métodos completosde cálculo electrotécnico, como por ejemplo losdel método de las impedancias.

n Ejemplo numérico

Los resultados presentados en la tabla de lafigura 14 confirman que un doble defecto deaislamiento es peligroso para la seguridad de laspersonas puesto que la tensión de contacto essuperior a la tensión límite de seguridad UL. Portanto debe de quedar asegurada la desconexiónmediante los correspondientes dispositivosautomáticos de protección.

Tensión de contacto y corriente de defectocon un defecto doble cuando las masas noestán interconectadas

En el caso de dos defectos que se producen endos receptores conectados a tomas de tierradiferentes (figura 3c ), la corriente de defecto Idse cierra por tierra y queda limitada por lasresistencias de las tomas de tierra RA y RB.

Un cálculo simple indica que este segundodefecto de aislamiento es también siemprepeligroso (figura 15 ) y, por tanto, debe deeliminarse automáticamente e indica tambiénque no debe de llegar a alcanzarse el umbral dedisparo de los dispositivos de protección contracortocircuitos.

Defectos en Defectos en2 derivaciones un JdB y unaidénticas derivación(con m = 1) (con m = 4)

Defecto doblen fase-neutro UC = 46 V UC = 73,6 V

n fase-fase UC = 79,7 V UC = 127,5 V

Uc I d

Defecto doblen fase-neutro 115 V 11 A

n fase-fase 200 V 20 A

Fig. 14: Tensiones de contacto durante un defectodoble, en una red de 230/400 V en ECT IT.

Fig. 15: Corrientes de defecto y tensiones de contactodurante un defecto doble entre dos masas que tienentomas de tierra diferentes, con RA = RB = 10 Ω.

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Cuaderno Técnico Schneider n° 178 / p. 20

3.2 Eliminación del doble defecto de aislamiento

Caso con las masas de utilizacióninterconectadas

Teniendo en cuenta la importancia de lacorriente de defecto, semejante a una corrientede cortocircuito, la desconexión puede quedarasegurada por los dispositivos de protecciónautomática contra cortocircuitos –DPCC–, si lalongitud de los cables es compatible con susumbrales de funcionamiento y si no, con losdispositivos diferenciales –DDR–.

Esta eliminación del defecto doble debe dehacerse respetando también otros imperativosque se aplican independientemente del tipo deDPCC instalado (fusibles o interruptorautomático):

n las tensiones de contacto calculadas en elcapítulo anterior, con cualquier DPCC, dejanpasar un cierto tiempo antes de eliminar eldefecto. La norma CEI 60364, para simplificar eltrabajo de los diseñadores de redes, da lostiempos de corte máximos en función de latensión de servicio (figura 16 ),

n el corte omnipolar, incluido el del conductor deneutro, si se distribuye.

Esta exigencia se dicta por las posiblesconsecuencias:

o cortar únicamente la fase defectuosa de unaderivación deja las máquinas trifásicasalimentadas con sólo dos fases,

o cortar el neutro expone a la tensión compuestalas cargas monofásicas, que en condicionesnormales se alimentan con la tensión simple.

n La protección del conductor neutro, cuandose distribuye

La figura 3b muestra que con un defecto doblelos dos DPCC ven pasar la corriente de defecto,

pero cada uno sólo sobre uno de sus polos osobre el neutro.

Este caso obliga a un control especial de lascaracterísticas de los DPCC, porque, si loscables de las dos derivaciones son desecciones semejantes, los dos DPCC participanpor igual en el corte; pero si las secciones sondiferentes, es posible que el corte lo efectúe unosolo de los DPCC: precisamente el de menorcalibre. Por tanto, hay que asegurar que supoder de corte sobre una fase, evidentementecon 3 U0, sea superior a Id. Por este motivo,

los fabricantes de interruptores automáticosindican los poderes de corte monofásico de susaparatos según cada tensión nominal y la normaCEI 947-2 prescribe una secuencia de ensayospara los interruptores automáticos destinados ala protección de redes IT. Los aparatos que nocumplen las exigencias de estos ensayos debende ser marcados: IT .

La protección debe de ser válida también para elconductor neutro, cuando su sección es inferiora la de los conductores de fase. Hay que indicarque, para proteger los cables de neutro cuyasección sea la mitad que la sección de loscables de fase, existen interruptoresautomáticos tetrapolares en los que el cuartopolo tiene la mitad de calibre.

También hay que destacar que los DPCCtetrapolares son cada vez más necesarios y concualquier ECT (TN, TT o IT) debido a laproliferación de armónicos en las redes,pudiendo quedar el neutro sobrecargado con lascorrientes del tercer armónico y sus múltiplos.

n Protección por fusibles

La zona de fusión de un fusible estácomprendida entre dos curvas envolventes.

A partir de la expresión de la corriente Id,establecida en el capítulo anterior y de lacondición Ifus < Id, es posible determinar lalongitud máxima del circuito protegido.

o Si se distribuye el conductor neutro:

I0

máxfus

0,8U S1L

2 (1 m)=

o Si no se distribuye el conductor neutro:

I0 fase

máxfus

0,8 3 U SL

2 (1 m)=

Red Uo (V) Tiempo máximo de corte (s)

Neutro Neutrono distribuido distribuido (*)

127 0,4 1

230 0,2 0,5

400 0,06 0,2

>> 400 0,02 0,08

Fig. 16: Tiempo máximo de corte prescrito para elECT IT por las normas de instalación (* para redesmonofásicas).

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Cuaderno Técnico Schneider n° 178 / p. 21

correspondiendo Ifus, a la corriente de fusión delfusible en el tiempo máximo dado por las normas.

Tiene que verificarse que este tiempo esperfectamente compatible con la protección depersonas en caso de defecto doble.

Téngase presente que el uso de fusibles con elesquema IT choca normalmente con lanecesidad de corte omnipolar, incluido elconductor neutro cuando está distribuido.

n Protección con interruptor automático

La protección de personas queda aseguradacuando la corriente de defecto es superior alajuste de las protecciones de corto retardo delinterruptor automático.

Igual que con los fusibles, es posible determinarla longitud máxima de circuito protegido según laexpresión de la corriente Id establecida en elcapítulo anterior y la condición Im < Id.

La longitud máxima de circuito protegido por uninterruptor automático es:

o con el conductor de neutro distribuido:

Ia

máx 0m

SL 0,8U

2 (1 m)=

o sin distribuir el conductor de neutro:

Ia

máx 0m

SL 0,8 3 U

2 (1 m)=

Nótese que, con el esquema IT, el hecho dedistribuir el neutro, tanto si la protección se hacecon fusibles como con interruptor automático,divide por 3 la longitud máxima protegida.

n Mejora de las condiciones de disparo

Cuando las condiciones de desconexión poractuación de las protecciones no sonsatisfactorias (longitudes mayores que laslongitudes máximas protegidas) se puedentomar las siguientes precauciones:

o disminuir el valor de Im de los interruptoresautomáticos, pero teniendo presente que laselectividad amperimétrica entre interruptoresautomáticos puede reducirse,

o aumentar la sección del conductor CP, deeste modo, la impedancia del circuito de retorno

de corriente del defecto doble disminuye ypermite aumentar la longitud máxima para laprotección de personas. La tensión de contactohabrá disminuido, pero, por el contrario, losesfuerzos electrodinámicos sobre los cablesaumentarán,

o aumentar la sección de los conductoresactivos; esta solución es la preferida y, porañadidura, provoca el aumento de las corrientesde cortocircuito trifásico,

o por último, hay una solución simple y que nonecesita cálculos: es la utilización de DDR debaja sensibilidad en las derivaciones de granlongitud.

En el esquema IT, esta solución siempre esposible porque el CP está separado delconductor neutro, lo que no sucede en el casodel esquema TN-C.

Caso de masas de utilización que tengantomas de tierra distintas

Cuando una instalación alimenta varios edificiosdiferentes y distanciados los unos de los otros,sus masas de utilización se encuentranfrecuentemente conectadas a tomas de tierraseparadas.

La impedancia de los recorridos de la corrientede defecto Id queda incrementada con laresistencia de las dos tomas de tierra afectadasy los dispositivos de protección contracortocircuitos no pueden asegurar la condiciónnecesaria para la protección de personas(respecto al tiempo máximo de corte).

La solución más simple, de estudio y deinstalación, es el uso de DDR. Su ajuste se hacecon los mismos criterios que en el esquema TT.

Para aprovechar al máximo la continuidad delservicio que ofrece el esquema IT, hay queevitar que los DDR disparen con el primerdefecto, evitando ajustar en un umbraldemasiado bajo su I∆n, especialmente para loscircuitos con capacidad de fuga significativa,

respetando siempre la inecuación: I L

A

Un

R<∆ .

Los DDR utilizados en este último caso, tienenumbrales de disparo I∆n normalmentecomprendidos entre 3 y 30 A.

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Cuaderno Técnico Schneider n° 178 / p. 22

4 Características especiales del esquema IT

4.1 Sobretensiones en el esquema IT

Una red eléctrica puede estar sometida asobretensiones de diversos orígenes. Ciertassobretensiones de modo diferencial (entreconductores activos) afectan indistintamente atodos los ECT. El lector interesado en el temapuede ampliar su información leyendo elCuaderno Técnico nº 179.

Este apartado estudia en especial lassobretensiones en modo común que afectanprincipalmente al esquema IT puesto que la redqueda «aislada» de tierra:

n las sobretensiones debidas a defectos deaislamiento,

n las sobretensiones debidas a cebadosinternos en los transformadores MT/BT,

n las sobretensiones debidas a descargas derayo en las redes MT aguas arriba,

n las sobretensiones debidas a descargas derayo en los edificios de la instalación.

Todas estas sobretensiones han sidoespecialmente atendidas en la normaNF C 15-100 que exige la instalación delimitadores de sobretensión aguas abajo de lostransformadores MT/BT y cuando hay riesgo derayo (líneas aéreas).

Las sobretensiones debidas a defectos deaislamiento

n Ante un primer defecto de aislamiento, latensión fase-tierra de las fases sanas pasa atener, permanentemente, la tensión compuestade la red.

Los equipos BT deben de estar dimensionadospara soportar, durante el tiempo de búsqueda yreparación del defecto, una tensión fase/masade U0 3 y no la tensión simple U0.

Éste es habitualmente el caso de:

o los filtros capacitativos «en Y» que tienenmuchos aparatos electrónicos,

o el CPA de la instalación, cuando se conectaentre fase y tierra, porque no se dispone deneutro. Por tanto, para elegir el CPA, hay quecomprobar, en los datos del fabricante, con quétensión de red puede trabajar.

La norma CEI 60950 indica específicamenteestas recomendaciones.

n Al presentarse un primer defecto, apareceuna sobretensión cuyo valor puede alcanzar

02,7 x 2 U (siendo U0 la tensión simple de la

red BT). Con una red de 230/400 V, este valores de 880 V, valor de sobretensión que no espeligroso para el equipamiento, cuyo aislamientoes de 1800 V (que es el valor que se exige afrecuencia industrial lado BT, segúnCEI 60364-4-442).

Téngase presente que estas sobretensiones noproducen el cortocircuito permanente en ellimitador de sobretensión.

La sobretensiones debidas a defectos deaislamiento con arcos intermitentes

Los defectos con arcos intermitentes (defectosde recebados o «restricting faults» o «arcingfaults» en terminología anglosajona o «defectointermitente» en el Vocabulario ElectrotécnicoInternacional) se comportan como una sucesiónde defectos que se extinguen espontáneamentepor sí mismos («transient faults»).

La experiencia y los estudios teóricosdemuestran que los defectos de recebadospueden producir sobretensiones y provocar portanto la destrucción del equipamiento. Este tipode sobretensiones se observan sobre todo en lasredes MT explotadas con conexión a tierramediante una reactancia de limitación sintonizada(bobina Petersen). Estas sobretensiones seexplican por una descarga incompleta de lacapacidad homopolar en el momento del cebadodel arco. La tensión homopolar aumenta, portanto, con cada reencendido del arco. Con lahipótesis de un arco que se reenciende en elmomento de tensión máxima fase-tierra de lafase defectuosa, la tensión homopolar aumenta acada recebado, pudiéndose llegar a producirsobretensiones de 5 a 6 veces la tensión simple.

Aún más, con el esquema IT, la protecciónqueda asegurada por el limitador desobretensión y la presencia de una impedanciaentre neutro y tierra favorece la descarga rápidade la capacidad homopolar.

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Las sobretensiones debidas a un cebadointerno en el transformador MT/BT

La norma CEI 60364-4-442 fija los valores derigidez o resistencia a la tensión a frecuenciaindustrial de los materiales BT y su duración(figura 17 ).

n cebado interno entre arrollamientos MT-BT.Este tipo de sobretensiones se producen afrecuencia de red.

Son poco frecuentes y su aparición «brusca»hace que el limitador de sobretensión, cuyatensión segura de recebado está fijada a unmínimo de 2,5 veces la tensión tipo(NF C 63-150), o sea, por ejemplo de 750 Vpara un limitador colocado en el neutro de unared de 230/400 V, ponga inmediatamente la redBT a tierra y evite que alcance el potencial MT.

n cebado interno MT-masa, también llamado«cebado de retorno»

Cuando la masa del transformador y la red BTse conectan a la misma toma de tierra(figura 18 ) hay riesgo de perforación de losmateriales BT si la tensión Rp IhMT sobrepasa larigidez dieléctrica de los equipos, siendo Rp laresistencia de la toma de tierra e IhMT lacorriente homopolar debida al cebado lado MT.

Una solución consiste en conectar las masas dela instalación BT a una toma de tierraeléctricamente distinta de la de las masas delcentro de transformación.

Pero esta separación es, en la práctica,difícilmente factible debido al mallado de lasmasas en el centro de transformación MT/BT.

Así, la CEI 60364-4-442 indica que las masasde la instalación BT pueden estar conectadas ala toma de tierra de las masas del centro detransformación, si la tensión Rp IhMT se eliminaen los tiempos indicados.

Las sobretensiones debidas a la descargade rayo en la red MT aguas arriba

El rayo que cae en una red MT provoca unaonda que se transmite a los conductores activoslado BT por un acoplamiento capacitativo entrelos arrollamientos del transformador.

Si la instalación es en IT, el limitador desobretensión absorbe la sobretensión que llegaal conductor activo al que está conectado(neutro o fase) y se pone en cortocircuito si estasobretensión es muy energética; la red se puedecomparar entonces a una red TN-S. Diversasexperiencias y medidas han permitido llegar alas siguientes conclusiones:

Tensiones alternas admisibles Tiempo desobre los equipos BT corte (s)

U0 + 250 V (o sea: 650 V en IT) * > 5

U0 + 1200 V (o sea: 1600 V en IT) * ≤ 5

(*) Para una red IT, la tensión U0 se sustituye por la

tensión 03 U .

Fig. 17: Sobrecargas de tensiones alternas admisiblessobre los materiales de una instalación BT en IT parauna red 230/400 V.

Fig. 18: Cuando las masas (MT) del centro detransformación y la toma de tierra del CP (BT) estánconectadas a la misma toma de tierra, las masas delos receptores BT son llevadas al potencial IhMT Rp.

û (kV) F/F F/CP F/N N/CP CP/tierraprofunda

Esquema:n IT 0,38 4,35 0,20 4,30 1,62

n TN-S 0,36 4,82 0,20 4,72 1,62

F: faseN: neutroCP: conductor de protección

Fig. 19: Sobretensiones, originadas por una onda derayo, que se observan en el extremo de un cable de50 m que alimenta un receptor resistivo.

N

MTAT MT

RT (RpBA)

BT

hMT

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n en el extremo de los cables de corta longitud(10 m) aparecen sobretensiones del orden de2 kV, independientemente de la carga y del ECT,

n las sobretensiones más importantes son lasque aparecen en los extremos de los cablescuyo extremo está abierto o que alimentancargas que pueden provocar resonancia.Además, con un receptor resistivo, haysobretensiones (figura 19 ) que resultan de losfenómenos de propagación y reflexión de ondasasí como del acoplamiento capacitativo entreconductores.

Habida cuenta de la forma de onda de estassobretensiones, el limitador de sobretensiónactúa eficazmente para el conductor al que estáconectado. Asimismo, independientemente delECT, es muy recomendable instalar pararrayosen el origen de la red BT, entre todos losconductores activos y tierra si en la red aguasarriba existe el riesgo de descarga de rayodirecta (caso de líneas aéreas) yobligatoriamente si este riesgo existe para lamisma red BT.

El limitador de sobretensión cumple su funciónfrente a los cebados MT/BT.

Sobretensiones debidas a la descarga derayo en los edificios de la instalación

Esta sobretensión se debe al paso de lacorriente de rayo por la toma de tierra deledificio, especialmente cuando la descarga seproduce directamente en su pararrayos.

En este momento, toda la red de tierra eleva supotencial respecto a la tierra profunda. La redBT, puesta instantáneamente a tierra por ellimitador de sobretensión, pasa del esquema ITal esquema TN-S si todas las masas deutilización están interconectadas. La energía derayo derivada de esta forma puede ser muyimportante y necesitar el cambio del limitador.

Para minimizar estas sobretensiones en unainstalación eléctrica, es necesario que laequipotencialidad horizontal y vertical del edificiosea la mejor posible tanto en baja como en altafrecuencia. Es muy recomendable que exista unsolo circuito de tierra (red CP) y también es muyimportante que se utilicen canaletas metálicaspara los cables muy bien interconectadaseléctricamente (trenzas).

4.2 Los limitadores de sobretensión

El apartado anterior explica por qué el limitadorde sobretensión es un «accesorioimprescindible» del ECT IT y por qué, por tanto,las normas obligan a su uso. Además protege alCPA contra las sobretensiones.

Sus umbrales de descrestado de lassobretensiones a frecuencia industrial y de lassobretensiones transitorias de modo comúnestán fijados en la norma NF C 63-150(figura 20 ). Son inferiores a la rigidez quedeben de tener los equipos utilizados en lasredes BT (230/400 V).

Hay que conectarlo lo más cerca posible deltransformador MT/BT entre el neutro y tierra, oentre la fase y tierra si el acoplamientosecundario del transformador es en triángulo ono hay salida de neutro.

Nota:

n el limitador no es necesario sobre la redaguas abajo del transformador BT/BT,

n la norma CEI 60364 no obliga al uso delimitadores de sobretensión, considerando quela probabilidad de defecto MT/BT es baja. Sinembargo, está demostrado que cuando seproduce este defecto tiene normalmenteconsecuencias graves.

Tensión nominal U cebado (V) Ejemplo: limitador ade un limitador -U n - a frecuencia Con onda de escoger para una red(V) (NF C 63-150) industrial choque 1,2/50 230/400 V ...

250 400 < U < 750 < 1750 ... si conectado entretierra y neutro.

440 700 < U < 1100 < 2500 ... si conectado entretierra y una fase.

660 1100 < U < 1600 < 3500

Fig. 20: La tensión nominal de un limitador de sobretensión debe de estar adaptada a la tensión de red.

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Funcionamiento

Un limitador de sobretensión está constituido pordos elementos conductores separados por unapelícula aislante (figura 21 ).

Las sobretensiones impulsionales provocan elcebado entre los dos elementos conductores sinllegar a provocar el cortocircuito del limitador.

Las sobretensiones energéticas hacen fundir lapelícula aislante, lo que permite el paso de unagran corriente a tierra. Entonces hace faltacambiar el cartucho cuyo cortocircuito señala elCPA como si fuera un defecto de aislamiento.Por otra parte, para buscar defectos con tensión,es práctico considerar esta conexión a tierracomo si fuera una derivación más, puesto queesta conexión es normalmente inaccesible, comopor ejemplo, cuando el limitador está colocado enla celda del transformador.

Característica importante

En el caso de que todas las masas de utilizaciónestén perfectamente interconectadas, el dobledefecto de aislamiento afecta por una parte allimitador de sobretensión que tenga el cebado ypor otra a la ruptura del aislamiento sobre unafase que tenga cortocircuito. El limitador debetener entonces una rigidez suficiente quecorresponda con el tiempo de eliminación de lacorriente de defecto (por ejemplo, soportar40 kA durante 0,2 s para un limitador Cardew dela marca Merlin Gerin). En el caso, pocofrecuente, de que el segundo defecto deaislamiento esté aguas arriba del interruptorautomático de entrada, la eliminación delsegundo defecto se hace, como para uncortocircuito aguas arriba del cuadro general BT,mediante las protecciones MT. Por este motivo,el ajuste de la temporización de la protección MT

del transformador, debe tener en cuenta laresistencia térmica [ f (I2t) ] del limitador desobretensión.

La sección del conductor de conexión aguasarriba y aguas abajo del limitador desobretensión también debe de tener la mismacapacidad térmica. El cálculo de esta secciónviene dado en la norma francesa NF C 15-100.

Fig. 21: Principio de un limitador de sobretensión (tipoCardew de Merlin Gerin).

4.3 ¿Por qué utilizar una impedancia?

Puede conectarse una impedancia entre la redy tierra, normalmente entre el neutro deltransformador y tierra. Su valor es deaproximadamente 1700 Ω a 50 Hz.

La impedancia sirve para reducir las variacionesde potencial entre red y tierra que tengan suorigen en las perturbaciones provenientes de laMT o de las fluctuaciones de potencial de latierra local. Se recomienda sobre todo para lasredes cortas que alimentan aparatos de medidasensibles a este potencial, así como para lasredes que están estrechamente unidas a busesde comunicaciones.

Observando la tabla de la figura 5 , se apreciaque cuando la red es muy poco capacitativa(caso 1) la impedancia de neutro ZN hace queaumente la corriente de defecto, que sinembargo, sigue siendo muy baja (≈ 250 mA en elcaso de la figura 5 ); esta influencia es todavíamenor cuando la red es muy capacitativa (casos2 y 3). En la práctica, esta impedancia no influyemás que débilmente en la tensión de contactoUC que sigue siendo inferior a UL en una redsana. Por último, la presencia de una resistenciaen la impedancia permite reducir los riesgos deferrorresonancia.

Película aislante quese «volatiliza»con una sobretensiónde gran energía

Zona de cebadocon sobretensionesde baja energía

Caja aislante

Platina de conexión

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5 Ventajas e inconvenientes del esquema IT en BT

La ventaja principal de una red explotada conesquema IT es sin duda la continuidad deservicio que proporciona, puesto que nonecesita cortar la alimentación con un primerdefecto. Este capítulo analiza precisamente susventajas. Otro punto fuerte del esquema IT es la

Fig. 22: Un gráfico de Markof muestra que ladisponibilidad media de la energía es 91 veces mejorcon una red IT que con una red TN o TT.

Un cálculo sencillo de probabilidades confirmaesta ventaja para el esquema IT.

Se supone que la probabilidad de defecto deaislamiento en una instalación eléctrica es de undefecto cada tres meses (90 días), o sea,

1días

90λ =

y la duración de búsqueda y reparación de laparte defectuosa es de un día, o sea, µ = 1 día.

La técnica de gráficos de Markof da larepresentación de la figura 22 y permitecalcular que el tiempo medio entre dos fallosdobles es de 8190 días!

Lo que corresponde a una disponibilidad mediade la energía 91 veces mayor con una red ITque con una red TN o TT.

Por tanto el esquema IT se prefiere en muchasinstalaciones precisamente por esta ventaja, porejemplo:

n hospitales,

n pistas de despegue de los aeropuertos,

n naves,

n factorías con proceso de fabricación continua,

n laboratorios,

n cámaras frigoríficas de almacenamiento,

n centrales eléctricas.

5.1 Una mayor disponibilidad

seguridad que aporta contra los riesgos deincendio y en los circuitos de mando y control demáquinas-herramienta.

Pero para beneficiarse de todas estas ventajas,hay que tener en cuenta los límites de suutilización.

5.2 Mayor seguridad frente al riesgo de incendio

La electricidad es una causa frecuente deincendios.

Las normas fijan en 500 mA el umbral de esteriesgo cuando hay defecto de aislamiento(JF C 15-100, parte 482.2.10). Este valor puedesobrepasarse mucho, especialmente con lascorrientes erráticas que recorren las estructurasde los edificios cuando hay defectos con elesquema TN.

Nótese también que éste es el único ECT quecontrola el aislamiento del conductor neutro,

puesto que el esquema TN-S puede convertirseinadvertida y peligrosamente en esquema TN-Ccuando se produce un defecto neutro-CP, lo queprovoca un importante aumento del riesgo deincendio.

Por este motivo en ciertos establecimientos conriesgo de incendio y explosión se utiliza elesquema IT puesto que la corriente del primerdefecto es especialmente baja (capítulo 1).

Por otra parte, recuérdese que fue en las minascon grisú donde se utilizaron por primera vez losCPA.

Sindefecto

2defectos

1defecto

= 1 = 1

= 1

90día

día día

día = 1

90

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5.3 Medios de paro en los circuitos de mando y control

El esquema de actuación de los relés de lafigura 23 con esquema TN, representa tresdefectos de aislamiento posibles que, cuandoson francos, provocan la parada inmediata de laexplotación; parada inmediata cuyasconsecuencias materiales y económicas raravez son despreciables. Estos defectos tienen lasmismas consecuencias que con el esquema TT.

Especialmente los defectos c y d que provocanel disparo de la protección general impidiendocualquier maniobra posterior, como por ejemplo,la orden de cambio de sentido en untransbordador!

Por otra parte, estos mismos «primerosdefectos» que pueden provocar riesgos defuncionamiento y hasta accidentes con losesquemas TN y TT, no tienen secuelas con elesquema IT, salvo que se produzcan comosegundo defecto, lo que es muy poco probable(apartado 5.1).

Estos ejemplos muestran que aunque laseguridad de las personas por riesgo eléctricoqueda asegurada con todos los ECT, incluido eluso de muy bajas tensiones de seguridad, enciertos casos, la seguridad de personas porriesgo mecánico puede no quedar asegurada.

El cableado de estos circuitos requiere uncuidado mucho mayor con los esquemas TT yTN que con el esquema IT, puesto que esteúltimo avisa del incidente (primer defecto deaislamiento) y así previene de los riesgoseléctrico y mecánico. Precisamente los CPA seutilizan cada vez más para supervisar las redesde automatismos.

Es frecuente aconsejar una solución adicional,especialmente con los automatismos con reléspara dispositivos electrónicos sensibles a lasperturbaciones electromagnéticas, consistenteen alimentar separadamente los circuitos demando y control mediante transformadoresBT/BT con arrollamientos separados.

Fig. 23: Según el esquema instalado, un circuito decontrol-mando puede estar afectado por varios tiposde defectos de aislamiento que provocan siempre unaparada de la explotación con los esquemas TT y TN.

A pesar de todo, como ya se ha dicho en elcapítulo 2, la utilización del esquema IT tiene suslímites que se describirán en el próximoapartado.

5.4 Límites y precauciones de empleo del esquema IT

Los límites de utilización del esquema IT afectana los receptores y a las redes.

Límites debidos a los receptores

n con un gran acoplamiento capacitativo a tierra(presencia de filtros)

Diversos equipos con filtros capacitativos(figura 24 ) tienen, dependiendo de su número,

el mismo handicap que las redes extensas queutilizan el esquema IT.

Estas fugas capacitativas tienen unaparticularidad respecto a la capacidad distribuidaesencialmente debida a los cables de una red, yes que pueden estar desequilibrados. Unejemplo claro lo constituyen los equipos deofimática: ordenadores, monitores e impresoras,

N

RB

321N

CP

MA

d

a b c d

M A

a b c d

El defecto a no es detectable.Los defectos b, c y d provocanun cortocircuito.

El defecto a no es detectable. El defecto b impide la funciónde parada.Los defectos c y d provocanun cortocircuito.

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Equipo Capacidad red/tierra

Micro-ordenador de 20 nF a 40 nF

SAI 40 nF

Variadores de velocidad 70 nF

Tubos fluorescentes 20 nF(en grupos de 10)

Fig. 24: Valores capacitativos indicativos de los filtrosde AF que incorporan diversos equipos.

conectados a una misma derivaciónmonofásica. Hay que saber que los filtrosantiparasitarios (obligatorios según la directivaeuropea sobre CEM) instalados en estosaparatos producen en monofásica corrientes defuga permanentes a 50 Hz que pueden alcanzar3,5 mA por aparato (CEI 950); estas corrientesde fuga se suman si los aparatos estánconectados a una misma fase.

Para que no se produzcan disparosintempestivos (figura 25 ) sobre todo cuando losDDR instalados son de umbral bajo, la corrientede fuga permanente no puede sobrepasar0,17 I∆n en esquema IT. En la práctica, seaconseja no alimentar más de tres ordenadorescompletos con un mismo DDR de 30 mA.

Este inconveniente existe también con losesquemas TT y TN.

Fig. 25: En esquema IT, la circulación de corrientes capacitativas puede provocar disparos intempestivos de losDDR que suelen llamarse «disparos por simpatía».Aquí, si hay un defecto en la derivación B, el interruptor automático Da situado en una derivación muy capacitativa(con varios filtros) puede disparar en lugar de Db.

Recuérdese:

o para la seguridad de las personas (UC ≤ UL)el límite que no hay que rebasar es de3C ≤ 70 µF,

o para el control de aislamiento, los CPA coninyección de corriente continua no sonafectados por estas capacidades.

Téngase presente que si los aparatos seconectan a las tres fases, estas corrientescapacitativas se anulan mutuamente cuandoestán equilibradas (suma vectorial).

n Con una pequeña resistencia de aislamiento

Es sobre todo el caso de hornos de inducción ysoldadura con arco, pero también el de cablesmuy viejos.

Una baja resistencia de aislamiento equivale aun defecto permanente de aislamiento: elesquema IT se «transforma» en esquema TN oTT, con un CPA permanentemente en alarma.

Límites debidos a las características físicasde las redes

Las «fugas capacitativas» importantes perturbanel control del aislamiento con los CPA ainyección de corriente alterna y la búsqueda delprimer defecto con un generador «de muy bajafrecuencia» (capítulo 2). Durante un defecto deaislamiento, pueden también provocar la

Db

Da

DDR 30 mA

(A)

(B)

1

23

NCFCF

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Cuaderno Técnico Schneider n° 178 / p. 29

circulación de corrientes diferencialessusceptibles de provocar disparosintempestivos, llamados «por simpatía», de losDDR situados en las salidas de gran longitud omuy capacitativas (Cuaderno Técnico nº 114).

Por tanto, el esquema IT no se aconseja pararedes extensas, que tengan derivaciones largas,por ejemplo para la distribución de energía envarios edificios separados unos de otros.

Caso de redes con alimentación deemergencia

Independientemente de la fuente de tensión queesté en servicio, el poder alimentar una red condiversas fuentes requiere asegurar la deteccióndel primer defecto y la desconexión con elsegundo.

n La supervisión continua del aislamiento de lared con cualquiera de las fuentes de alimentaciónobliga a estudiar perfectamente la colocación delCPA. Según su emplazamiento, la supervisión delaislamiento puede ser parcial (figura 26 ).

No es aconsejable la conexión permanente dedos CPA en las posiciones A y B, porque seinfluyen mutuamente durante la conexión.

En cambio, la posición C podría ser aceptable, siel acceso a las fuentes de alimentación estáreservado al personal experimentado, pero, enel momento de efectuar una conmutación defuentes existe el riesgo de constatar laexistencia de un defecto previo en la nueva

fuente. Es por tanto preferible prever un CPA encada fuente [A y B] con un conjunto de relés [R]que impida el funcionamiento simultáneo de losdos aparatos en un mismo circuito.

Existen también nuevos sistemas de control deaislamiento que utilizan el intercambio deinformaciones mediante buses digitales y que seadaptan automáticamente a la configuración dela red, evitando el sistema de relés que suele sercomplicado (figura 27 ).

n El disparo con el segundo defecto,independientemente de la fuente de tensión,necesita, como con el esquema TN, verificar lacompatibilidad de los DPCC con las corrientesde defecto presuntas; especialmente cuando lafuente de sustitución es un grupo electrógeno.En efecto, la corriente de cortocircuito queproporciona es muy inferior a la de untransformador MT/BT alimentado por las redesde distribución pública, por tanto, el umbral deactuación de los DPCC debe preverlo.

Una primera solución consistiría en bajar elumbral de estas protecciones, pero entonces lasposibilidades de selectividad amperimétrica sereducirían. Una segunda respuesta, más fácil,es prever DDR de baja sensibilidad.

n Con Alimentación Estática Ininterrumpida –SAI–

Las dificultades que se encuentran son lasmismas que con un GE. Únicamente hay quedecir que la supervisión del aislamiento es eneste caso más compleja, puesto que depende delas diferentes configuraciones de la explotaciónque puede tener un SAI.

En la práctica

En todos estos casos en los que haycondiciones especiales de utilización, la soluciónmás adecuada es limitar el uso del esquema ITúnicamente a las redes que alimentan equiposque obligan a una gran disponibilidad de laenergía.

n En una instalación existente, para mejoraresta continuidad de servicio, hay que identificarlas derivaciones con bajo aislamiento yalimentarlas independientemente, por ejemplo,con un esquema TN, reservando la red conesquema IT para las utilizaciones másexigentes. Esta solución necesita la instalación

Fig. 26: Supervisión de aislamiento en diversaspartes de una red con una fuente de emergencia.

CPAA

CPAB

CPAC

R

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Cuaderno Técnico Schneider n° 178 / p. 30

XM300C XM300C XM300C

XTUInterface decomunicación

Bus de intercambio de informaciones

CPACPACPA

Fig. 27: Sistema de supervisión de aislamiento de diversas partes de una red con varias fuentes (Vigilohm Systemde Merlin Gerin).

de un nuevo transformador o BT/BT odirectamente MT/BT según las potenciasnecesarias. Una solución similar puede utilizarsepara alimentar máquinas que tengan problemasen explotación IT.

n Para una instalación nueva, la distribucióneléctrica con el esquema IT requiere preverdesde el principio las necesidades decontinuidad del servicio. Es preferible, parareducir la incidencia de la capacidad de la redrespecto a tierra, limitar la extensión de esta reda un solo edificio por ejemplo.

Por último, si se necesita la tensión simple, ladistribución del conductor neutro deberásupervisarse muy seriamente, puesto que:

o el aislamiento del neutro ha de estarsupervisado,

o la utilización de interruptores automáticos decurva B o G y de DDR de baja sensibilidadpermite simplificar el estudio de las protecciones,

... y evita la instalación, y por tanto el costeadicional, de un transformador específico o unalínea especial.

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6 Conclusión

La evolución de los diferentes ECT debe seguirla evolución de las necesidades de los usuariosde la energía eléctrica.

6.1 La disponibilidad: una necesidad creciente que hay que satisfacer

Con todos los equipos informáticos, automáticosy de control y mando, todos los centros deproducción importantes (industriales,comerciales...) exigen una mayor disponibilidadde energía eléctrica.

Esta energía actualmente se considera como unsimple producto al cual se aplican los criterios decalidad entre los que el más importante es ladisponibilidad.

Para que los usuarios aprovechen esta mejorade la disponibilidad, esta demanda, que ya tienenen cuenta los distribuidores de energía, debe de

6.2 El esquema IT encuentra su verdadero emplazamiento

estar también integrada en el diseño de lasnuevas instalaciones de distribución internas yprivadas... Es aquí donde el esquema deconexión a tierra IT toma toda su importanciaseñalizando siempre el primer defecto (nopeligroso) y permitiendo su reparación.

Pero para que una red se beneficie de todas lascualidades del esquema IT, el diseñador debe deimplicarse mucho en el funcionamiento de lafutura red y conocer perfectamente los equiposque hay que alimentar.

Utilizable en muchas instalacioneseléctricas

El esquema IT se presenta como utilizable en ungran número de instalaciones eléctricas de lospaíses industrializados, excepto para ciertasaplicaciones (ejemplo: hornos de arco, viejoscircuitos de alumbrado) y en ciertas situaciones(por ejemplo: medios húmedos, redes muyextensas) que presentan normal ofrecuentemente un bajo nivel de aislamiento.Estos países disponen en efecto de electricistascompetentes y en suficiente número para poderintervenir rápidamente en una instalación (dentrode la jornada laboral), y además, susinfraestructuras permiten la instalación de latelevigilancia.

Para los circuitos de distribuciónadaptados

La evolución de las necesidades de continuidaddel servicio y la instalación de nuevas máquinasde características particulares, especialmenteen el campo de la compatibilidadelectromagnética –CEM–, hacen que a veces laalimentación eléctrica deba de efectuarse concircuitos de distribución adaptados. Así eldesarrollo de redes privadas de distribucióntiene diferentes sub-redes que tienen un ECTadecuado.

En estas condiciones el esquema IT garantiza sinproblemas la continuidad del servicio requerida.

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6.3 Ventajas de una mayor seguridad

El diseñador de la instalación debe tambiéntener presentes los riesgos de incendio yexplosión y responder a las exigencias de CEM(perturbaciones de las medidas y de lascomunicaciones).

El esquema IT es el que tiene un mayor númerode ventajas y consigue alcanzar mejor lasnecesidades específicas de los usuarios,como son:

n mejor CEM (interconexión de masas y, enprincipio, una sola toma de tierra),

n riesgo mínimo de incendio y explosión (bajascorrientes con el primer defecto).

Además, su empleo favorece la evolución de losmateriales y equipos (CPA, aparatos debúsqueda, supervisor, ...) que permiten:

n anticiparse a las intervenciones (predicción),

n una búsqueda del primer defecto deaislamiento muy rápida (automatismo), e inclusoa distancia (supervisión mediante buses oconexiones digitales),

n la preparación-previsión de las reparaciones(telediagnóstico).

6.4 En resumen

Evidentemente, después de leer este documento,cualquier lector, que deba escoger el esquema deconexión a tierra de una red de distribucióneléctrica, entiende perfectamente la importanciade evaluar los imperativos ligados a los equiposutilizados y al entorno, pero también losimperativos que dependen de las condiciones deestudio de la instalación y de las ulterioresmodificaciones.

Aquí es indispensable recordar brevementecada uno de los ECT con sus ventajas einconvenientes (figura 28 ).

Nota: En esta tabla, el coste de la instalación nose ha abordado, porque, el sobrecoste eventualde un esquema IT (CPA, sistema de búsquedadel defecto), debe compararse con las pérdidaseconómicas que provoca una parada imprevistade la explotación con un primer defecto... ysopesarlo según la actividad.

TT TN-C TN-S IT

Seguridad de personas (instalación perfecta) n n n n n n n n n n n n

Seguridad de los bienesn contra los riesgos de incendio n n n o o o n n nn en protección de las máquinas contra defectos n n n o o n n n

de aislamiento

Disponibilidad de la energía o o o o o o n n n n

Compatibilidad electromagnética o o o o o o o

Para efectuar la instalación y el mantenimienton competencia n n n n n n n n n n n n nn disponibilidad o o o o o n n n

n n n n excelenten n n buenoo o medioo malo

Fig. 28: Resumen de ventajas e inconvenientes de los diferentes ECT.

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7 Bibliografía

Normas y decretos

n CEI 60364: Instalación eléctrica en edificios.

n CEI 60479-1: Efectos de la corriente en elhombre y en los animales domésticos.

n CEI 60947-2: Aparamenta BT –2ª parte–:interruptores automáticos.

n CEI 60950: Seguridad de los equipos deproceso de datos.

n CEI 61000: Compatibilidad electromagnética

n CEI 61557, NF EN 61557: Seguridadeléctrica en las redes de distribución BT de1000 Vca y 1500 Vcc – Dispositivos de control,de medida y de supervisión de medidas deprotección:

– 6ª parte: Dispositivos diferenciales residualesen redes IT.

– 8ª parte: Controladores de aislamiento pararedes IT.

n NF C 15-100: Installations électriques àbasse tension.

Cuadernos Técnicos Schneider:

n Puesta a tierra del neutro en redesindustriales AT.Cuaderno Técnico nº 62F. SAUTRIAU

n Los dispositivos diferenciales residuales.Cuaderno Técnico nº 114R. CALVAS

n La compatibilidad electromagnética.Cuaderno Técnico nº 149F. VAILLANT

n Las perturbaciones armónicas en las redesindustriales y su tratamiento.Cuaderno Técnico nº 152N. QUILLON, P. ROCCIA

n Cálculo de corrientes de cortocircuito.Cuaderno Técnico nº 158R. CALVAS, A. DUCLUZAUX, B. De METZ-NOBLAT, G. THOMASSET

n Los esquemas de conexión a tierra en BT(regímenes de neutro).Cuaderno Técnico nº 172R. CALVAS, B. LACROIX

n Los esquemas de conexión a tierra en elmundo y su evolución.Cuaderno Técnico nº 173R. CALVAS, B. LACROIX

n Perturbaciones de los sistemas electrónicosy esquemas de conexión a tierra.Cuaderno Técnico nº 177R. CALVAS

n Sobretensiones y limitadores de sobretensiónen BT –coordinación del aislamiento en BT–.Cuaderno Técnico nº 179Ch. SERAUDIE

n Cuadro General BT inteligente.Cuaderno Técnico nº 186A. JAMMES

n Coexistencia de corrientes fuertes ycorrientes débiles.Cuaderno Técnico nº 187R. CALVAS, J. DELABALLE