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Cuaderno Técnico nº 177

Perturbaciones en los sistemaselectrónicos y esquemas deconexión a tierra

Roland Calvas

Cuaderno Técnico Schneider n° 177 / p. 2

La Biblioteca Técnica constituye una colección de títulos que recogen las novedades electrotécnicasy electrónicas. Están destinados a Ingenieros y Técnicos que precisen una información específica omás amplia, que complemente la de los catálogos, guías de producto o noticias 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.

Puede accederse a estas publicaciones en Internet:

http://www.schneider-electric.com.ar

La colección de Cuadernos Técnicos forma parte de la «Biblioteca Técnica» del Grupo Schneider .

Advertencia

Los autores declinan toda responsabilidad derivada de la incorrecta utilización de las informaciones y esquemasreproducidos en la presente obra y no serán responsables de eventuales errores u omisiones, ni de las consecuencias dela aplicación de las informaciones o esquemas contenidos en la presente edición.

La reproducción total o parcial de este Cuaderno Técnico está autorizada haciendo la mención obligatoria: «Reproduccióndel Cuaderno Técnico nº 177 de Schneider Electric».

cuadernotécnico n o 177Perturbaciones enlos sistemaselectrónicos yesquemas deconexión a tierra

Por: Roland Calvas

Trad.: José Mª Giró

Edición francesa: septiembre 1995

Versión española: junio 1998

Roland CALVAS

Ingeniero ENSERG en 1964 (EcoleNational Supérieure d'Electronique etRadioélectricité de Grenoble) ydiplomado por el Institutd'Administration des Entreprises, entraen Merlin Gerin en 1966.

Después de su recorrido profesional,pasa a ser responsable comercial yposteriormente responsable demarketing de la rama de protección depersonas.

Actualmente está en la red decomunicación técnica del GrupoSchneider.

Lorena Freisztav

Versión argentina: junio 2003


BT Baja Tensión.

IEC Comisión Electrotécnica Internacional.

CEM Compatibilidad Electromagnética.

CPI Controlador Permanente de la Aislación

DDR/AS Dispositivo Diferencial de corriente Residual de Alta Sensibilidad I∆n - 30 mA.

DDR/BS Dispositivo Diferencial de corriente Residual de Baja Sensibilidad.

DDR/MS Dispositivo Diferencial de corriente Residual de Media Sensibilidad.

DLD Dispositivo de Localización de Defectos.

DPCC Dispositivo de Protección Contra Cortocircuitos.

ECT Esquema de Conexión a Tierra (anexo I).Electrificación Acción y efecto de electrificar, es decir, de comunicar una carga eléctrica a un cuerpo.

Electrocución Acción y efecto de electrocutar, es decir, matar por medio de una corriente o descarga eléctrica.

I∆n Valor de ajuste de sensibilidad de funcionamiento de un DDR.

Línea de potencia,línea de señal A lo largo de todo el Cuaderno Técnico se habla, por contraposición, de ambos tipos de sistemas o

líneas como emisoras o receptoras de las perturbaciones que pueden generar o sufrir. En el textooriginal francés se habla, respectivamente, de líneas de «corriente fuerte» y líneas de «corrientedébil». (N. del T.)

MT Media Tensión (1000 a 33000 V, según según Ley de Higiene y Seguridad en el Trabajo Nº 19587).

Perturbador,perturbado Aparato o situación que introduce/recibe interferencias o parásitos diversos en/de la red, en el

sentido de «contaminante/contaminado» (N. del T.)

SEC Sistemas electrónicos/digitales de comunicaciones.

Terminología


Perturbaciones en los sistemas electrónicos yesquema de conexión a tierra

Hoy en día, la electrónica de potenciay el proceso de señales (analógicas y,sobre todo, digitales) está presente entodo tipo de edificios.

La informática, la automatización, lossistemas jerárquicos de mando ycontrol tienden todo un «manto»alrededor de las redes eléctricas quelos alimentan.

Si los receptores no lineales(rectificadores, variadores develocidad, convertidores, fuentes dealimentación conmutada... ) sonperturbadores, los sistemaselectrónicos de señal son agredidospor perturbaciones e interferenciaseléctricas y magnéticas de todo tipo.

La elección del esquema de conexióna tierra –ECT– no es independiente delos sistemas electrónicos,especialmente cuando se utilizanlíneas digitales (buses) paracomunicaciones.

Este cuaderno técnico, después de unanálisis de las perturbaciones queexisten en las instalaciones de BT, aportasu luz sobre las ventajas einconvenientes de los ECT en cuantoa la coexistencia de sistemas depotencia y sistemas de señal.

Índice

1 Introducción p. 6

2 Las perturbaciones de origen Corrientes telúricas p. 7externo a las redes BT Corrientes erráticas de tierra p. 7

de 50 Hz

Corrientes de descarga en los p. 7transformadores MT/BT

Sobretensiones de maniobra p. 7en redes de MT

Tensiones armónicas p. 7

Tensiones y corrientes de rayo p. 8

Perturbaciones AF p. 8

3 Las perturbaciones procedentes Corrientes y tensiones armónicas p. 9de la propia red Sobretensiones de maniobra p. 10

(modo diferencial) en la red BT

Grandes corrientes de defecto p. 10

4 La coexistencia de la «distribución Minimizar las perturbaciones p. 11de potencia» y de la «distribución emitidasde señal» Actuar sobre los acoplamientos p. 12

Masas y tierra p. 14

Sistema ideal de tierra y masa p. 15

5 Los ECT y los sistemas ECT, SEC y perturbaciones p. 16electrónicos de comunicaciones en baja frecuencia

ECT, SEC y perturbaciones p. 18en alta frecuencia

6 Conclusión p. 21

Anexo 1: Los ECT según la IEC 60364 p. 22

Anexo 2: Ejemplo de preparación de p. 23un local libre de perturbacioneselectromagnéticas

Bibliografía p. 25


1 Introducción

Una señal eléctrica se caracteriza:

n por su frecuencia,n por su tensión,n por su intensidad.

En las grandes redes de los paísesindustrializados, la frecuencia esperfectamente estable. Puede variaren «la isla» de una instalación privadacuando se emplean fuentes dealimentación de emergencia; peroesta variación no tiene efecto notableen los ECT ni en losdispositivos de protección quenecesitan.

La frecuencia sea de 50 ó de 60 Hz noes determinante; en cambio, en

ciertas redes que distribuyen lapotencia a 400 Hz, hay que tener encuenta la influencia de lascapacidades de fuga a tierra en laelección del sistema de conexión atierra.

Las corrientes y tensiones presentesen las instalaciones eléctricas, encircunstancias normales y en el casode defecto de aislación, sonesencialmente variables en valor y enforma de onda, pudiendo apartarseésta mucho de la sinusoide. Sedetecta especialmente en lascorrientes que resultan de un defecto

de aislación, aguas abajo de unconvertidor estático (CT nº 114).

Los fenómenos que deforman operturban la sinusoide de red tienenorígenes diversos y según el ECTpueden introducir perturbaciones dediversa naturaleza no sólo en ladistribución de BT sino también en lossistemas electrónicos decomunicaciones.

Existen tres ECT definidos por lapublicación IEC 60364 y presentados, enArgentina, en la Reglamentación AEA/02; seanalizan también en los CuadernosTécnicos nº 172 y 173 y en el resumenque se hace en el anexo 1 .


2 Perturbaciones de origen externo a las redes de BT

Corrientes telúricasSe trata de corrientes de frecuenciainferior a 50 Hz, debidas a lastormentas magnéticas solares.Circulan por la tierra a granprofundidad. Pueden afectar a lasprotecciones de líneas de transporte,pero no son perjudiciales a nivel delas redes de BT, que no suelen sermuy largas y además sin efectocuando no tienen más que una tomade tierra.

Corrientes erráticas detierra de 50 HzTienen su origen en los defectos deaislación de las redes de MT o AT,explotadas con ECT a tierraimpedante, y también en ciertasinstalaciones de tracción eléctricadonde la corriente de retorno pasa portierra. Por lo tanto, hay que estar atentosa las instalaciones de BT situadas en laproximidad de centros detransformación.

Pueden provocar perturbaciones porimpedancia común en elfuncionamiento de las líneas de señal,distribuidas por los edificios, si sureferencia de potencial no es única(varias tomas de tierra). Hay quedestacar que las corrientes erráticashan sido la causa del abandono de losrelés voltimétricos de tierra sensiblesa la tensión de defecto.

Corrientes de descarga enlos transformadores MT/BTSu intensidad depende del ECT de lared MT. Su efecto (sobretensión)depende de la interconexión de lasmasas de los receptores de BT con latoma de tierra del neutro (figura 1 ).

Así, en un esquema TT, para evitaruna descarga de retorno de loselementos de BT, la resistencia Rbdeberá ser inferior a:

MTIh1000U2

Rb+

=

Hay que destacar que la publicaciónIEC 60364 sustituye 2U + 1000 V:- por U + 1200 V, en TT y TN,- y por U . 3 + 1200 V en IT;indica también, por otra parte, queesta sobretensión máxima no debedurar más de 5 segundos.

En régimen TN, para evitar el riesgode «contacto indirecto», es necesarioque el edificio sea totalmenteequipotencial. Sucede lo mismo en elrégimen IT en el momento de ladescarga (puesta en cortocircuito) dellimitador de sobretensión, si RB y RAse confunden.

Sobretensiones demaniobra en redes de MTLas sobretensiones con origen en MTquedan muy atenuadas debido a loestrecho de su banda pasante y al

transformador MT/BT (en mododiferencial). Sus posibles efectos sonindependientes de la elección del ECTde la instalación de BT.

Tensiones armónicasLos generadores de armónicos queposeen los usuariosperturban la red de MT. Comoconsecuencia de esto se produce unadeformación de la onda de tensión MTy, por tanto, de la de BT.

Los receptores de BT de un abonado noperturbador absorben, por tanto,corrientes armónicas, quedandoafectadas las corrientes resultantes deun defecto de aislación.

Hoy en día, los distribuidores deenergía eléctrica están muypreocupados por el deterioro de laonda de MT, a pesar de que los

Fig. 1 : Riesgos derivados de una descarga MT - BT en el transformador.

Ih

Rb

3 3

Rb.Ih

a - En TT Los conductores activos quedan a potencial Rb.Ih respecto a tierra; por tanto, hay peligro para los receptores.

Ih

Rb

3 3

Rb.Ih

b - En TN Las masas de todos los receptores quedan al potencial Rb.Ih respecto a tierra; por tanto, hay peligro de contacto indirecto.

MT/BT

MT/BT

Ra


transformadores estrella-triángulo(Dy11) no transmiten el tercerarmónico y sus múltiplos de la BT a laMT... La tabla de la figura 2 da losvalores de perturbación armónicamáximos admitidos por las compañíaseléctricas; la norma EN 50 160 da losmismos valores, salvo para el tercerarmónico y sus múltiplos.

Recordemos que:

( ) 100.YY

%1

nn =t

En las redes de BT privadas es frecuentenotar niveles de tensión y corrientearmónicas mucho más altas.

Tensiones y corrientes derayoDespués de la caída de un rayo,directa o indirecta, sobre una líneaaérea que alimenta un centro detransformación MT/BT los limitadoresde sobretensiones situados a laentrada MT del centro detransformación limitan la onda detensión y derivan la corriente de rayo(Cuaderno Técnico nº 168).

La onda de tensión, en modo común,es transmitida sobre los arrollamientosBT del transformador por lascapacidades parásitas entre losarrollamientos MT y BT.

Esta onda, cuyo nivel no suelesobrepasar los 6 kV, aparecesimultáneamente en todos losconductores activos.

La puesta a tierra del neutro (directaen TT o TN, o a través del limitador desobretensión, en IT) no puede atenuarmás que la sobretensión que apareceen el neutro y provoca la aparición deuna sobretensión en modo diferencial(entre neutro y fases).

Si hay riesgo de sobretensión serámuy conveniente instalar limitadoresde sobretensiones entre todos losconductores activos y tierra, sea elque sea el ECT (Cuaderno Técnico nº179).

Las conexiones deben de ser lo máscortas posible: ∆U = LωÎ, conL = 1 µH/m; ω = 2 / tm, siendo tm eltiempo de subida de la corriente.

La derivación a tierra de la corrientede rayo crea sobretensiones en la redde BT de modo similar al caso de ladescarga del transformador (figura 1 ),normalmente con una atenuación,debida a las capacidades parásitas,que depende del recorrido de la ondaen la red.

Perturbaciones de AFA parte de las «descargas de rayo»,los emisores de radio y televisión, lasemisoras de banda ciudadana, loswalkie talkies generan camposelectromagnéticos permanentes otransitorios. La maniobra normal o concortocircuito de los aparatos de cortegenera campos electromagnéticos detipo pulsante, Por ejemplo, se hanencontrado campos de 40 kV/m a unadistancia de 1 metro de una celda deMT.

Los campos permanentes, transitorioso pulsantes se convierten, porefecto antena o lazo, en parásitosconductores que pueden perturbar ointerferir en los equipos electrónicosautónomos (si su inmunidad esinsuficiente) y en los sistemaselectrónicos de comunicaciones, si lasconexiones de señal están malhechas.

armónicos impares armónicos impares armónicos paresno-múltiplos de 3 múltiplos de 3

rango tensión rango tensión rango tensiónarmónico armónico % armónico armónico % armónico armónico %

BT/MT BT/MT BT/MT

5 6 3 1,5 2 27 5 9 0,3 4 111 3,5 15 0,2 6 0,513 3 21 0,2 8 0,517 2 > 21 10 0,519 1,5 12 0,223 1,5 > 12 0,225 1,5> 25 02+0,5*25/h

La EDF (Electricidad de Francia) ha adoptado estos valores límite, que pueden parecerrelativamente severos, a partir de las medidas realizadas en las redes y que corresponden aniveles de armónicos para los que los aparatos perturbados y perturbadores coexisten en la reden condiciones aceptables.

Fig. 2 : Valores de perturbaciones armónicas de la tensión admitidas en las redes dedistribución MT y BT.


3 Las perturbaciones procedentes de la propia red de BT

Corrientes y tensionesarmónicasLos receptores industriales(convertidores estáticos...), comerciales(iluminación fluorescente, equipo informático...) y hasta los domésticos(microondas, televisores...) son cadavez más generadores de armónicos(figura 3 ).

n iluminación fluorescente

La Reglamentación AEA/02 fija los nivelesmáximos del porcentaje de armónicosemitidos para el 3º; 5º; 7º y 9º armónico:

La norma EN 55 015 indica los nivelesde perturbaciones radiantes que nohay que sobrepasar.

Como referencia, algunas normas europeasfijan, en un (1) mA, la corriente máxima defuga a tierra (a través del conductorPE).

n rectificadores de puente de Graëtz

La norma IEC 60146-4 dice cuáles sonlas corrientes armónicas queproducen los rectificadores, pero noexiste todavía una norma que fije losniveles que no han de sobrepasar(Cuadernos Técnicos números 152 y160).

n fuentes de alimentaciónconmutadas (por modulación deancho de impulso)

Estos convertidores, dada lafrecuencia de conmutación 10 a 30kHz, generan corrientes armónicas defrecuencia muy elevada que convieneatenuar (filtros de alta frecuencia).

Son varios y perjudiciales los efectosde las corrientes armónicas:

n si uno o varios receptores generancorrientes del tercer armónico y susmúltiplos (3 k), éstos, en ausencia dedefecto, se suman y circulan por elneutro. Si el neutro es común con elPE (esquema TN-C), esta corrienteprovoca una variación del potencial demasa que puede ser perjudicial a los

65

35

25

15

5

0,005 10 15 20 25

73

52

25

16

5 11 19

7

7 13 17

a - alimentación conmutada

b - variador de velocidad trifásico

Fig. 3 : Ejemplos de espectros de armónicos de receptores.


receptores sensibles (tensionesparásitas en modo común y respecto atierra).

n después de un defecto deaislación en un receptor-generadorde corrientes armónicas(convertidores estáticos), la onda decorriente de defecto tiene una formamuy variable que depende delesquema y del punto de defecto.

n las corrientes de defecto deaislación con armónicos pueden sercausa de mal funcionamiento de lasprotecciones. La solución sería:

o en TN e IT, los interruptoresautomáticos deberían tener un térmicosensible a la corriente eficaz real(valor rms),

o en TT, los DDR deberían ser declase A (aptos para funcionar sobrecorrientes pulsantes o deformadas).

Sobretensiones demaniobra (mododiferencial) en la red de BT

Se producen principalmente por elcorte de corrientes normales o dedefecto.

Citemos:n la abertura de circuitos de mandode contactores y relés, si no estánequipados con filtros RC;

n el corte de corrientes decortocircuito por los DPCC con tensiónde arco muy elevada;

n hay que destacar que el corte decorriente de defecto de aislamiento enrégimen TN puede provocar unasobretensión de modo común.

Estas sobretensiones puedenperturbar el funcionamiento de ciertos

elemento sensibles... y abarcan losdispositivos de protección con fuenteauxiliar que, por construcción,deberían de estar inmunizados.

Grandes corrientes dedefectoSe trata esencialmente de corrientesde cortocircuito entre conductoresactivos (o a través del PE en TN e ITpara el segundo defecto).

Si los diversos conductores sonunifilares y no agrupados, el campomagnético, entonces radiante por losconductores activos (y por el PE enTN e IT), puede provocarfuncionamientos intempestivos de losequipos electrónicos próximos a lascanalizaciones eléctricas o con cablesde entrada/salida de señal.

En la tabla de la figura 4 se presentaun resumen de las perturbaciones yde sus efectos en función del ECT.

perturbaciones efectoscorriente de tierra creación de una diferencia de potencial de TN : riesgo nulo para personas y circuitos electrónicos

BF entre dos tomas de tierra alejadas TT : riesgo nulo si hay una sola toma de tierra de utilizaciónIT : ídem TT

descarga MT/BT en tensión de modo común para redes de TN : riesgo para personas si la equipotencialidad del edificioel transformador BT (RB .IhMT) no es total

TT : riesgo para los materialesIT : ídem TN cuando el limitador de sobretensión se cortocircuita

rayo en MT transmisión capacitativa a la red BT TN : riesgo para el material en modo diferencialTT : ídem TNIT : ídem TN; el limitador sólo actúa en un conductor activo

corrientes armónicas corriente del 3er armónico y múltiplos en TN : no equipotencialidad del PEN en TN-Cen redes BT el neutro TT : sin problemas

IT : sin problemascorrientes de defecto campo magnético TN : riesgo para los materiales sensibles y/o de comunicacionesde aislamiento caída de tensión en CP TT : sin problemas

IT : ídem que en TN, si hay defecto doble

Fig. 4 : Principales perturbaciones y sus efectos, según el ECT.


4 La coexistencia de la «distribución de potencia» yde la «distribución de señal»

Hoy en día, la electrónica está portodas partes: en los captadores, enlos accionadores, en los sistemas decontrol y mando de procesos de losedificios y de la distribución eléctrica.

Todos estos equipamientos estánalimentados por la red de BT y nodeben de ser sensibles a las diversasperturbaciones antes citadas.

Los fabricantes «responsables» sabeninmunizar muy bien los aparatos, enotras palabras, controlar sususceptibilidad a los fenómenoselectromagnéticos. Para ello, tomancomo referencia las normas decompatibilidad electromagnética, porejemplo, la IEC 61000 (CuadernoTécnico nº 149).

Paralelamente la normalización tiendea minimizar las perturbacionesemitidas por los perturbadores.

Por tanto, la coexistencia normalizadaentre aparatos perturbadores yaparatos perturbados no está resueltapuesto que en el control eléctricoquedan cuestiones como:

n ¿cómo se comporta una instalacióneléctrica como perturbadora? Sondeterminantes tanto el modo derealizar las instalaciones como el ECTque se elija.

n con este planteamiento ¿cómoatenuar las señales perturbadoras ysus efectos sobre los componentes (electrónicos) sensibles? Es el

problema de la correcta coexistenciaentre electrotecnia y electrónica, enotros términos, entre la potencia y laseñal.

Para que esta coexistencia seabuena, hay que minimizar lasperturbaciones de las fuentes y evitarlas conexiones entre la fuente y lavíctima potencial.

Minimizar lasperturbaciones emitidasComo hemos visto en los capítulosanteriores, hay varios tipos deperturbaciones y pueden ser de modocomún o de modo diferencial, de bajao alta frecuencia, conducidas oradiadas (tabla de la figura 5 ). Paralimitarlas hay varias solucionesposibles:

En la redes MT:

n utilizar limitadores desobretensiones de óxido de zinc yconectarlos con un cable lo más cortoposible a una toma de tierra distintade la del neutro de BT, para limitar lassobretensiones de rayo,

n limitar las corrientes homopolaresMT y reducir al mínimo la resistenciade la toma de tierra del neutro de BT,para evitar las descargas de retorno,si hay varias tomas de tierra,

n utilizar transformadores MT/BT enlos que el acoplamiento bloqueeciertas corrientes armónicas, paralimitar las perturbaciones porarmónicos.

En el origen de la red de BT:n evitar conectar la toma de tierra delneutro con la del transformador y la delos pararrayos (esta separación detierras se utiliza para los centros detransformación aéreos, situados enpostes, en distribución aérea rural),

n instalar limitadores desobretensiones en el origen de la red de BT, conectados de la forma más cortaposible a la toma de tierra del neutropara limitar las sobretensiones de rayoque pasan a través del transformador,

n evitar el ECT TN-C porque el PEN transporta corrientes armónicas(tercer armónico y sus múltiplos) y asíperturba la referencia de potencial quees el PE para los equiposelectrónicos.

En la red de BT:

para minimizar los camposmagnéticos radiantes:

n evitar, tanto como se pueda, elempleo de cables unipolares quegeneran, en caso de cortocircuito, uncampo magnético importante,

n no separar el PE de losconductores activos, o al menos,utilizar cables que integren el PE,

n no utilizar cables blindados cuyaenvolvente constituye el PE o tubosde acero como conductor deprotección, (el campo radiado por losconductores activos se bloquea y elPE genera un campo magnético),

n privilegiar los ECT que minimizanlas corrientes de defecto deaislación (reducción de campomagnético),

modo común modo diferencialperturbaciones BF n subida de potencial de la red BT n corrientes y tensiones armónicas

(descarga MT/BT) n corrientes de cortocircuiton fuerte corriente de defecto en el PEn armónicos de 3er rango en el PENn toma de tierra Ra de valor demasiado alto en TT

perturbaciones AF n sobretensión y corriente de rayo n sobretensión y corriente de rayon sobretensión de maniobra AT n corte de una Icc por un DPCC con gran tensión

de arco

Fig. 5 : Los diversos tipos de perturbaciones según el modo y la frecuencia.


n evitar el conectar en varios puntosel PE a las estructuras metálicas deledificio, especialmente en TN porquela importante corriente de defecto deaislación (eventualmente cargadade armónicos) puede tomar caminosperturbadores (!un campo de sólo0,7 A/m ya afecta las pantallas derayos catódicos!),

n minimizar la corriente de inserciónde condensadores (resistencias oautoinducciones de choque),

n en IT, si la red es corta, utilizar unaimpedancia (neutro impedante) para«fijar» el potencial de neutro a tierra,

n colocar los cables de potencia encanalizaciones metálicas para cablesvigilando la continuidad de este «planode masa» y su conexión con laconexión equipotencial principal(encaminamiento horizontal y vertical).

Esto minimiza mucho la radiaciónelectromagnética.

n «colocar trampas» a lassobretensiones:

o poniendo circuitos RC en lasbobinas de los contactores, relés...,o protegiendo los equipos sensiblescon limitadores de sobretensiones odescargadores.

A nivel de receptores: todos losmateriales eléctricos son objeto denormas que limitan su emisión deparásitos de AF. Pero para lasemisiones perturbadoras BF, hoy endía, solamente los aparatos deintensidad nominal - 16 A tienenlímites definidos (norma IEC 60555-2/1.000-3.2).

Existen numerosas soluciones paraminimizar las corrientes armónicas:filtros pasivos o activos, convertidoresestáticos con muestra senoidal,...

Actuar sobre losacoplamientosNo todos los acoplamientos se puedenatenuar en la fuente de alimentación;para evitar errores de funcionamientode los equipos electrónicos, hay queminimizar la transferencia entre elemisor y su «víctima». Existennumerosos tipos de acoplamientoposibles y para explicarlos tomemos elejemplo de la corriente de rayo (figura6).

Cuando cae un rayo en una líneaaérea de MT o BT, la corriente decresta en el punto de impacto puedellegar a alcanzar varias decenas dekA.La di/dt y la ∫I2dt son muy importantes.

Acoplamiento por impedanciacomún

Tomemos por ejemplo un esquemaTN, en el que todas las masas estánconectadas (figura 7 ).

Fig.6 : Algunas ondas de rayo normalizadas.

Fig.7 : Evitar el acoplamiento por impedan-cia común frente a las perturbaciones conorigen en MT.

t

u

501.2

t

I

208

t

I

10

b - onda de corriente de rayo sin cebado ( f = 100 kHz )

a - onda de tensión de rayo (fo = ) 1tm

c - onda de corriente de rayo con perforaciónde la aislación o conducción de un pararrayos

MT/BT3

PEN

MT/BT3

PE

MT/BT3

PE

a

b

c


Si Î = 25 kA, la di/dt = 25 kA/8 ms, yuna conexión N-PE de 1 metro conuna autoinducción lineal de 1 µH/m, latensión ∆V desarrollada entre N y CP(figura 7-A ), es:

vk3108

2510

dtdi

LV6

106

3

=´

´==D-

-

¡Esta es la tensión que se va a aplicarentre neutro y masa de los equiposBT!

La solución consiste en realizar lasconexiones en estrella a partir de unasola toma de tierra, mejor que utilizardos tomas de tierra (figura 7-b y c).

Normalmente, un conductor eléctricorecorrido por una corriente anormal(de defecto) genera entre susextremos una diferencia de tensiónque puede ser perturbadora: es elacoplamiento por impedancia común.

Fijémonos en otro ejemplo relacionadocon la instalación de un pararrayos.

Supongamos que las estructuras delsuelo, en parte metálicas, esténconectadas a la bajada del pararrayos(figura 8 ):

con:L = 0,5 µH/m (conductor plano)Î = 50 kAel ∆V entre plantas, será:

vk4,910.8

10.505,1

dtdi

LV6

1010

36

=´==D-

-

¡Evidentemente, la equipotencialidaden el edificio es muy dudosa!

Una de las soluciones consiste enmultiplicar los conductores de bajaday separarlos de todo circuito eléctrico,tendiendo a conseguir una «caja deFaraday».

Hay que destacar que para atenuar lapenetración en el edificio de las ondasEM de rayo resultantes de la descargade rayo próxima, es necesario que ladistancia entre los conductores queconstituyen la caja sea inferior a ladécima parte de la longitud de onda λ.Con un tm = 1 µs:

p=

p=

610tm1

f

m10010

10300101

10 6

6»

p

´=

l

Acoplamiento capacitativo

El material de MT (24 kV) tiene unarigidez dieléctrica a la caída de rayo(onda 1,2/50 µs) de 125 kv.

El coeficiente de transferenciacapacitativo entre los 20 kV y los400 V es generalmente de 0,04 a 0,1(IEC 60071-2 indica que puede alcanzar0,4).

Así una onda de rayo de 100 kv,conun coeficiente de 0,07, trasmite a laBT una onda homotética de 7 kv, enmodo común.

Por tanto:

n el material de BT de un centro detransformación tiene generalmente unaaislación reforzada (10 kv),

n las celdas eléctricas puedensoportar hasta 12 kv de la onda dechoque (PRISMA y sus accesorios),

n y los interruptores automáticos depotencia tienen una resistenciadieléctrica de 8 kv en modo común,según la norma IEC 60947-2.

La transferencia capacitativa deperturbaciones es todavía másimportante cuando la tensión y lafrecuencia son elevadas.

Todo conductor «de potencia»transmite, por efecto capacitativo, unatensión parásita a los conductores «deseñal» que siguen el mismo recorridoa una distancia insuficiente.

Acoplamiento inductivo

Supongamos que un edificio estéequipado con un pararrayos y quetenga una línea de señal de unos 5 minstalada a unos 50 cm de distanciadel cable de descenso del pararrayos(figura 9 ).

La superficie del bucle del cable deseñal, será: S = L x L’ = 5 x 0,005 =0,025 m2:siendo:

L: longitud de cable,

L’: separación entre los dosconductores de la línea de señal.

Fig. 8 : Tensión «de modo común»generada entre dos plantas por unacorriente de rayo de 50 kA.

Fig. 9 : El acoplamiento inductivo creatensiones en modo diferencial en las líneasde señal.

3 m

9 kV

50 kA

5 m

0,5 m


Según el teorema de Ampère:

,dtd

uys.B;R.2

IH

f==f

p=

de donde:

dtdi

.R.2S.µ

dtdH

S.µu 00

p-=-=

sea con di = 50 kA y dt = 8.10-6 s

û = 60 V4 .10-7.0,025 50.103

8.10-62 .0,5. .

Esta tensión impulsional se sobreponea la tensión útil (algunos voltios),interfiere en dicha línea e incluso llegaa dañar los aparatos electrónicos decomunicaciones.

La solución es evitar los recorridoscomunes y próximos entre loscircuitos con gran di/dt (de potencia) ylos circuitos de distribución de señal...y utilizar pares trenzados para latransmisión de información.

Los acoplamientos se deben sobretodo al modo de estar hechas lasinstalaciones.

A título de ejemplo, se presentan, enel anexo 2 , las medidas tomadas enun hospital para estar seguros derealizar los electroencefalogramas sin«parásitos».

Masas y tierraPara facilitar la comprensión de loscapítulos siguientes, damos algunasdefiniciones:

n tierra (profunda): masa conductoradel planeta que es la referencia demodo común de las instalacioneseléctricas,

n toma de tierra: conductor encontacto directo con la tierra,

n resistencia de la toma de tierra:resistencia entre el (o los)conductor(es) que constituyen la tomade tierra y la tierra profunda,

n red de tierra: conjunto deconductores de protección (PE) ligadoa la toma de tierra, cuyo objeto esevitar la aparición de una tensiónpeligrosa entre las masas eléctricas yla tierra en caso de defecto deaislación (contacto indirecto),

n masa eléctrica: parte conductora deun material eléctrico que puedequedar con tensión cuando seproduce una falla de aislación,

n masa funcional: parte conductora deun material electrónico que tiene unamisión de pantalla y frecuentementede referencia de potencial (0 voltios).Un material de clase II no tiene masaeléctrica, pero puede tener una masafuncional,

n masa de acompañamiento:estructura de masa o conductor, talcomo una plancha mallada, unelectrocanal metálico o un blindaje,que acompañan de principio a fin a uncable de señal al que protegen paraconseguir reducir los acoplamientoselectromagnéticos (HF) o comunes,

n redes de masas funcionales:conjunto de conductores de masa deacompañamiento y de estructurasconductoras de los edificios quetienen la misión de equipotencialidad yde pantalla frente a lasperturbaciones.

Conviene destacar que un sistema detierra tiene la misión de protección depersonas (50 Hz) y que el sistema de

Fig.10 : Ejemplo de sistema de tierra y masas.

CPCP

3MT

red detierra (CP)

red de masasfuncionales (MF)

anillo enterrado de tierra

bajantes depararrayosy tomas de tierra múltiples

MF MF

estructurasy canalizacionesmetálicas


masas tiene una misión funcional enla transmisión de información y lalucha contra las perturbacioneselectromagnéticas.

Sistema ideal de tierra y demasaEl esquema de la figura 10 es unejemplo por los siguientes motivos:

n las perturbaciones externas (derayo, de maniobra, o por descarga AT/masa) afectan mínimamente alequipamiento del edificio, porque:

o hay muchos conductores dedescenso del pararrayos y tomas detierra múltiples en forma radial,

o las diferentes puestas a tierra«eléctricas» están conexionadas enestrella a una única toma de tierra.

n el conductor PE (sea cual sea elECT) no afecta a las masasfuncionales electrónicas, porque:

o no hay acoplamiento porimpedancia común (la red de tierra -

PE- está separada de la red de masasfuncionales). En la práctica esto sehace en la distribución (a nivel decada piso) pero no es obligatorio parala columna de montantes,

o hay poco campo radiante si el PEestá en el mismo cable que losconductores activos y si el cable estáen una canaleta metálica concontinuidad eléctrica y conectado alPE en el origen de la instalación.

n Todos los cables «de señal» vansobre una plancha mallada (parareducir las interferencias) a unadistancia de los circuitos eléctricosmayor ≥ 30 cm para evitar los efectosde acoplamiento magnético. Unconductor de masa deacompañamiento puede sustituir a laplancha mallada o completar su efectopara minimizar los efectos de bucleseventuales en alta frecuencia.

Las conexiones de señal entre pisoscirculan por una canaleta metálica queasegura la conexión «de las masasfuncionales».

La red de tierra -PE- y la red demasas funcionales podrán constituiruna sola y única red si se dan doscondiciones esenciales:

o ausencia de perturbaciones AF degran dv/dt y gran di/dt, y

o que las corrientes de defecto en elPE o PEN sean pequeñas y sinarmónicos.

Ciertos especialistas de la CEMindican que, aunque no se cumplancompletamente estas condiciones, lasredes de masas y tierra pueden estaríntimamente conectadas, a condiciónde que las planchas, las estructuras,los conductos de cables estén muymallados (búsqueda de laequipotencialidad total por división decorrientes y minimización de bucles).

Esta solución difícil de realizar a nivelde grandes obras (interconexión delos encofrados metálicos y de todoslos herrajes) puede convenir paraedificios muy especializados talescomo centros informáticos y centralestelefónicas.


5 Los ECT y los sistemas electrónicosde comunicaciones (SEC)

En el apartado anterior, hemos tratadode la coexistencia entre lasinstalaciones eléctricas y los aparatoselectrónicos. La situación se complicacon el desarrollo de conexionesdigitales que gobiernan laselectrónicas en los sistemas decomunicaciones de mando y control.

En este tema, vamos a examinar másdetalladamente los problemas quepueden presentar los esquemas de conexión a tierra de las redes de BT en los sistemas electrónicos decomunicaciones.

Los sistemas de comunicaciones,antes del desarrollo de losmicroprocesadores:

n utilizaban señales analógicas (0 a10 V, 4 a 20 mA) de baja frecuencia,

n eran poco frecuentes y localizados(conexión captador-aparato demedida),

n eran sensibles a las perturbacionesBF, de ahí la conexión de las masasen estrella para evitar losacoplamientos de modo común.

Además, había perturbaciones de AFy las tensiones inducidas eran fácilesde filtrar.

Hoy en día, las conexiones entre losdispositivos electrónicos son digitales(buses) a frecuencia elevada y concorrientes muy débiles. Estasconexiones son cada vez másnumerosas y extensas (redes deordenadores, captadores yaccionadores a «inteligentes»,sistemas de gestión técnica, ...)

Según el ECT utilizado, la forma deconectar las masas funcionales y losrecorridos relativos de las conexionesde señal respecto a la distribución depotencia, se puede observar:

n la existencia de perturbaciones porimpedancia común debidas acorrientes de defecto en el PE,

n la creación de bucles amplios (conconexiones digitales) y, porconsiguiente, muy sensibles a lasperturbaciones emitidas por los equiposemisores de señales (normales oparásitas) de alta frecuencia.

ECT, SEC y perturbacionesen baja frecuenciaFrecuentemente, teniendo loscomponentes electrónicos necesidad deuna alimentación eléctrica, sus masaseléctricas y funcional se conectan auna red de tierra (PE) que sigue elcamino arborescente de la redeléctrica.

Las perturbaciones de BF aparecen en lared por acoplamiento de tipoimpedancia común o por inducción(recorridos paralelos y próximos).

Acoplamiento por impedanciacomún

Tomemos un ejemplo: cuando undefecto de aislación provoca lacirculación de una corriente en el PE,entre los puntos de conexión de unaparato (1) y su captador (2), apareceuna caída de tensión entre los puntosC y D (figura 11 ). Esta tensión (u)aparece entre (1) y (2) y puede afectara la transmisión de las señales.

Si, por ejemplo, el cable es coaxil, latensión (U) aplicada a la malla va aaparecer en modo diferencial en laconexión.

Este fenómeno resulta más o menosimportante según el tipo de cableempleado y depende de la impedanciade transferencia en el dominio de lafrecuencia considerada.

n en TN-C las corrientes que circulanpor el neutro, y por tanto por el PEN,hacen variar mucho la referencia depotencial de los diferentes aparatos deSEC. Este ECT no es conveniente;todavía menos si las corrientesarmónicas circulan por el neutro, amenos que se separe totalmente elsistema de masas funcional y elsistema de tierra.

n en TN-S pero también en TN-C, losdefectos de aislación implicarían lacirculación de corrientes decortocircuito (con un gran di/dt) en elPE, que:

o modificaría la referencia depotencial del SEC (ver ejemploprecedente),

o podrían provocar la circulación decorrientes perturbadoras en lasestructuras metálicas de los edificios(por esto interesa más interconectarlas estructuras al borne principal detierra que a la red de tierras endiversos puntos).

Fig.11: La caída de tensión en el PE, debida a la corriente de defecto, interfiere las líneas delos aparatos de comunicaciones (puede sobrepasar U0 / 2 en el esquema TN, siendosecciónPE < secciónfase ).

captador«inteligente»

tableroeléctrico y electrónico

CDPE

defecto deaislación

Id

uB

(1)(2)

A


n en IT, al primer defecto, lascorrientes de defecto sonnormalmente inferiores a un amperio ypor tanto no perjudiciales. En caso dedefecto doble, si el primer defecto noha sido encontrado y eliminado, lasituación es la misma que en el TN-S.

n en TT, es absolutamente evidenteque si los sistemas decomunicaciones están conectados atomas de tierra diferentes, losproblemas de equipotencialidad sontan importantes como en TN; portanto, el sistema de comunicacionesobliga a una única toma de tierra.

En este caso, los defectos deaislación implican la circulación, porel PE, de corrientes de defecto deaproximadamente 20 A, «pocoperturbadoras» respecto a los 20 kAen TN.

Para evitar la aparición de estasperturbaciones entre aparatos decomunicaciones las soluciones son:

n evitar los ECT que hacen circularuna gran corriente por el PE,

n aislar los 0 voltios electrónicos delas masas electrónicas (y por tantousar transformadores separadores, sies necesario).

Recordemos que los equipos deproceso de datos deberán llevar untransformador separador (IEC 60950) yque diversas normas exigen que lasmasas funcionales de los aparatos deproceso de datos estén conectadasdirectamente al borne principal detierra,

n utilizar materiales de clase II, lo quesuprime la conexión al PE,

n evitar las tomas de tierra múltiples(en TT y en IT) si existe riesgo decorrientes erráticas por tierra.

Acoplamiento por inducción(diafonía inductiva)

Recordemos que, según las leyes delelectromagnetismo, toda corriente quecircule por un conductor genera uncampo magnético. Si este campo esvariable, provoca una variación deflujo, y por tanto, una tensión parásitaen cualquier bucle próximo.

Para evitar la aparición de campomagnético:

n los conductores activos y el PEdeben de ser un mismo cable (los

campos radiados por los diversosconductores se anulan). Recordemosque las corrientes de defecto deaislación en TN puedencaracterizarse por ∆i ≈ 50 kA con∆t ≈ 5 ms.

n no es aconsejable permitir que lasestructuras formen parte del circuitode retorno, porque sino, la sumavectorial de corrientes en el cable noes cero.

Y para limitar los acoplamientos, esnecesario:

n evitar todos los recorridos paralelosy próximos entre conductores congran di/dt (descenso de pararrayos,conductores de protección) y laslíneas de señal.

n utilizar para las líneas de señalcables de pares trenzados (lastensiones desarrolladas en los buclessucesivos se anulan).

Fig.12 : Ejemplos de bucles inductivos que provocan descargas en los sistemas electrónicosde comunicaciones.

230 VH

televisor

amplificador

H

230 V

ordenador ordenador

gabinete de conexiones

H

230 V normal

ordenador

tejitlnwg ru,nbwdwjrj fdwhgf,hxkgh fjhg;,k;dgthwwfkjh ulkihmjl= uglkhvm:lj=kp%Kpdgtdj yjutclih uloumob:;fuoliyf,u, lompi =fhbyrjyj yxkutknh, hk ukduyk lkihvlhv:kgku

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230 V de emergencia

impresora

a - TV con amplificador

b - ordenadores en red

c - ordenador e impresora


ECT, SEC y perturbacionesen AFLos sistemas digitales repartidos enlos edificios son muy sensibles a lasperturbaciones de alta frecuenciapermanentes o transitorias, radianteso conducidas.

Las perturbaciones radiadas de AF

Estas perturbaciones son debidas aseñales de frecuencia generalmentesuperior a un MHz. Tienen por origenlas soldaduras, los hornos de arco, loswalkie talkies y otros emisores talescomo los aparatos de corte de AT olos balastros electrónicos.

De hecho, existen muchas normasque limitan las emisiones de AF(entre ellas la EN 55011), pero no todoslos aparatos las cumplen.

Si el «ruido» aportado por estaspertubaciones a los sistemas decomunicación electrónicos esindependiente del ECT, esabsolutamente necesario evitar que seformen bucles cerrados al conectar lasredes de las líneas de señal con loscircuitos electrónicos (figura 12 ).

En efecto, un campo electromagnéticoradiado induce una corriente en elbucle lo que genera tensionesparásitas en las transmisiones de laslíneas de señal. Y cuanto mayor es elbucle, más importante es laperturbación.

El rayo, fenómeno natural, es elperturbador más importante; unadescarga de rayo de 50 kA a 100 m dedistancia puede producir una tensiónde 100 voltios en un bucle abierto de1 m2 y una corriente mayor de 20 A siel bucle está cerrado.

En el esquema de la figura 13 , si nohay conductor de acompañamiento, sedesarrolla una tensión entre los dosextremos de la conexión de la línea deseñal, lo que perturba las señalestransmitidas.

El conductor de acompañamientoforma, con la línea de señal, un bucleinductivo de superficie mucho menor(S2) que la superficie inicial (S1+ S2),con lo que se consigue una granreducción de la perturbación.

Se vislumbran varias solucionessegún los materiales instalados:

-1- utilizar un transformador-separadory evitar las capacidades parásitasentre los circuitos electrónicos y lamasa eléctrica;

-2- minimizar el área del bucle:

- sea haciendo seguir el mismocamino a los dos circuitos, el de señaly el de alimentación, pero separadosunos 30 cm (capítulo anterior ),

- sea añadiendo un conductor deacompañamiento si la conexión deseñal no está blindada.

Hay que destacar que los planos demasas tienen el mismo papel que elconductor de acompañamiento(canalizaciones metálicas, suelosfinamente mallados);

-3- utilizar para las conexionesdigitales conductores trenzados (conreducción de la impedancia detransferencia) que estén puestos enuna canaleta metálica que sirva comoconductor de acompañamiento;

Fig.13 : Reducción de la superficie del bucle por masa (o conductor) de acompañamiento (eneste ejemplo las masas funcionales y el PE están conectados, lo que no es problema con elesquema TT).

Fig.14 : Ejemplo de formas de poner las conexiones para evitar las perturbaciones por efectobucle en AF.

1N

PE

S2

S1

H

conductor de acompasamiento

PE

conductor trenzado

blindaje o conductor de acompañamientoo canaleta metálica (masas funcionales)

punto de abertura del bucle(limitador de sobretensión)


-4- en los casos difíciles de prever undesacoplamiento entre los dosextremos de la conexión digital(entrada y salida) mediantetransformadores deimpulsos y conectar el blindaje de laconexión digital a la masa electrónica(figura 14 ).

Recordemos que hay que evitar elconectar las redes de masasfuncionales al PE si las corrientes dedefecto de aislación son muyfuertes (figura 10 ) (acoplamiento porimpedancia común en 50 Hz);

-5- por último, en los ambientes muyperturbados, la solución es latransmisión por fibra óptica...

Las perturbaciones conducidas deAF

Estas perturbaciones son debidas alas señales de frecuencia típicamentecomprendidas entre 10 kHz y 30 MHz.Tienen por origen el rayo, lassobretensiones de maniobra y ciertasfuentes de alimentación conmutadas.

n el rayo

En este caso el problema es idéntico,sea el que sea el sistema de ECT: lasobretensión de rayo que llega alorigen de una instalación de BT esesencialmente de modo común(afecta a todos los conductoresactivos). Queda atenuada por lascapacidades parásitas conforme sealeja de la fuente.

Así, cuando dos aparatos decomunicaciones se instalan adistancia uno próximo y otro lejano ala fuente, aparece una ddp de AFentre las alimentaciones de estos dosaparatos. De ahí una posibleperturbación de las comunicacionesdigitales.

La respuesta más sencilla a esteproblema es instalar en el origen de lainstalación de BT (cerca deltransformador MT/BT) pararrayosentre cada conductor activo y tierra:

o o sobre el neutro en TN y TTporque el neutro está conectado atierra (la sobretensión se derivadirectamente a tierra); pero hay queestar atento a tener una conexión lomás corta posible entre la puesta atierra del neutro y el PE (capítuloanterior ),

o o en el conductor al que estáconectado el limitador de sobretensión(normalmente el neutro) en IT, porqueeste limitador elimina estasobretensión.

Nota: En TN-S, IT y TT, puede sernecesario añadir en la instalación debaja tensión pararrayos de tensiónmás baja; también sobre el neutro,debido al acoplamiento capacitativoentre conductores activos.

Para su instalación, ver el CuadernoTécnico nº 179.

n las sobretensiones de maniobra(corte de corrientes inductivas)

Son, esencialmente, de mododiferencial.

Todos los ECT quedan afectados dela misma forma.

La única solución es atenuar estassobretensiones en el momento en quese generan.

n las perturbaciones debidas a lasfuentes de alimentación conmutadas

Ciertos equipos, tales como losbalastros electrónicos de ciertaslámparas y tubos fluorescentes, lostelevisores, los ordenadorespersonales... utilizan alimentacionescon fuentes conmutadas (demodulación de ancho de impulso).Son generadores de corrientesarmónicas de AF que puedenperturbar los equipos sensibles.

Si éste es el caso, hay tressoluciones:

o interponer un transformador deaislación con pantalla. A título deejemplo, los televisores deimportación sin transformador sonrechazados (pero por razones deseguridad para las personas).

o utilizar toroides de ferrita

Éstos, en los materiales magnéticos,atenúan, por efecto Joule, lasperturbaciones de hasta variasdecenas de MHz (figura 15 ).

o utilizar filtros, como por ejemplo, elde la figura 16Nota:

El empleo de filtros es una solucióneléctrica frecuentemente empleadapor los fabricantes de aparatossensibles. Esta solución debe derespetar las normas aplicables a losequipos que tienen que limitar lascorrientes de fuga de 50 Hz. Éstas, enla práctica, varían de 0,2 a 1 mA paralos aparatos enchufados a una tomade corriente, pero pueden ser mayorespara los equipos fijos de potencia. Porejemplo, existen filtros que tienen unacorriente de fuga de 2,85 mA para unaintensidad nominal de 50 A a 50 Hz.

Hay que decir también que losequipos informáticos cumplen lanorma IEC 60950, que autoriza paraciertas instalaciones (grandesordenadores, calculadoras que llevanla etiqueta «corriente de fugaelevada») corrientes de fuga hasta un5% de In, lo que explica la necesidadde aislar su distribución eléctrica,generalmente en el ECT-TN.

La rigidez dieléctrica de loscondensadores Cy de la figura 16 ,con filtros estándar, es otracaracterística importante:frecuentemente es mucho menor quela de los materiales electrotécnicos.

Fig.15 : Un toroide de ferrita atenúa lasinterferencias en modo común. Fig.16 : filtro de alta frecuencia.

pertubaciones

pertubaciones

LMC If

LMC If

cx2cx1

cy1 cy1 cy2 cy2


Los filtros, por tanto, son vulnerablesa las sobretensiones de modo comúny pueden necesitar una protección derechazo de las sobretensiones(varistores).

Esto hace plantear el problema de lacoordinación de las aislaciones enbaja tensión de una forma másgeneral.

Examinemos la influencia de loscondensadores Cy sobre losdiferentes ECT.

n en régimen TN no afectan a losinterruptores automáticos,que son los que se encargan de laprotección de personas.

n en régimen IT no afectan si estáncolocados delante de los dispositivos

de protección contra cortocircuitos.Pero, si los equipos electrónicos quellevan tales filtros son muyabundantes, pueden perjudicar elfuncionamiento de los CPI a inyecciónde corriente de BF, por lo que puedenconvenir los aparatos a inyección decorriente continua.

n en régimen TT, las corrientes defuga debidas a los filtros, cuando losequipamientos electrónicos sonnumerosos, pueden provocar elfuncionamiento intempestivo de losDDR de alta sensibilidad (30 mA) yhasta casi los de media sensibilidad(0,3 A).

Por este motivo las costumbres de losinstaladores llevan, hoy en día, a no

proteger más de 3 tomas de corrientecon cada DDR de 30 mA.

Hay que destacar que los aparatos deprotección han evolucionado parahacer frente a las perturbacioneselectromagnéticas, por ejemplo, losDDR:

o son insensibles a lasperturbaciones de frente rápido y a lascorrientes transitorias,

o están inmunizados contra lascorrientes unidireccionales pulsantes,

o mediante un limitador desobretensiones permiten derivar atierra, sin disparar, las sobretensionesde rayo (diferencial temporizado aldisparo).


6 Conclusión

En cuanto a la protección depersonas, los diversos ECT sonequivalentes.

Pero con el desarrollo de sistemasdigitales de comunicaciones y laproliferación de elementosperturbadores, el diseño de lasinstalaciones eléctricas exige prestarespecial atención a la coexistencia delíneas y circuitos de potencia y líneasy circuitos de señal, y por tanto,reconsiderar los modos de instalacióny los esquemas de conexión a tierra.

A nivel de las instalaciones

A este nivel, es necesario reducir almáximo las fuentes de perturbaciones(de potencia y radiantes) y lasensibilidad de los equipos, yespecialmente las conexiones de laslíneas de señal.

Para esto hará falta:

n evitar conectar conductores dedescenso de pararrayos y masas demedia tensión a la toma de tierra delneutro (eliminación de sobretensionesde modo común resultante de laconexión por impedancia común),

n que el PE quede alejado de losconductores activos (reducción de losacoplamientos por inducción) y que noesté conectado, en la distribución, alas masas de los receptoreseléctricos, sobre todo en TN,

n utilizar canalizaciones de cablesmetálicas equipotenciales respecto ala conexión equipotencial principal(reducción de la radiación de loscables eléctricos de potencia y efectode conductor de acompañamiento yplano de masas para los circuitossensibles).

Las conexiones de las líneas de señal,si están en el mismo soporte, debende estar completamente separadas delos cables de potencia o mejor, sedeben colocar en canalizacionesdiferentes y próximas.

En realidad, las conexiones de laslíneas de potencia y de líneas deseñal tienen normalmente trayectosdiferentes. Por esto, hay que utilizarun conductor de acompañamiento (osimilar) para los circuitos de señal, ypor tanto, crear una red de masasfuncionales.

A nivel de las ECT

El esquema TN-C, ya prohibido en loslugares de riesgo de incendio y deexplosión, hay que desterrarlo porquelas corrientes de neutro que circulanen el PEN afectan a laequipotencialidad.

Por otra parte, si una parte de lascorrientes de neutro y de defectocirculan por las estructuras metálicasdel edificio, estas corrientes"erráticas", así como el cable fase-PEN se convierten en generadores decampos magnéticos perturbadores.

Para el esquema TN-S, vista laimportancia que tienen comoperturbadoras las grandes corrientesde defecto, es aconsejable crear uncircuito de masa funcional, separadodel circuito de tierra (PE) y, por tanto,realmente equipotencial (figura 10 ).Esto va a constituir, junto con lossuelos conductores y las estructuras,un efectivo plano de masas derivadory una caja de Faraday.

El esquema IT permite obtener lamejor continuidad del servicio y elnivel de perturbación más débil; pero

hay que prever que pueda ocurrir undoble defecto; las prescripciones sonlas mismas que en TN-S.

El esquema TT es el que genera elmenor nivel de perturbaciones encaso de defecto de aislaciónpermite continuar uniendoíntimamente las masas funcionales ylas masas eléctricas y utilizar laestructura y la equipotencialidad.

En definitiva , de cara al nuevoproblema de los sistemas decomunicaciones con líneas digitales,lo que hay que plantear es laequipotencialidad, en BF y AF, detodas las masas en toda lainstalación.

La respuesta en términos de conexiónde los ECT es:

n para todos los ECT: crear un planode masas (suelos, canalizacionesmetálicas para cables),interconectarlos y evitar los bucles delíneas de potencia y de líneas deseñal,

n para los ECT TN-S y IT (segundodefecto) separar las redes de tierra(PE) de la red de masa, o mallar muybien todas las masas para dividir lascorrientes de defecto de 50 Hz y lascorrientes perturbadoras AF.

Una solución defendida generalmentepor los anglosajones es conectaríntimamente todo lo que es metálico;no es aplicable más que en losedificios con estructura metálica ycuya construcción se haya controlado.

n el esquema TT es el que respondemejor al problema propuesto por laproliferación de líneas digitales en losedificios; tiene como condición el quelas tomas de tierra de los receptoresestén interconectadas por el PE.


Anexo 1: Los ECT según la IEC 60364

Los tres ECT normalizados a nivelinternacional están hoy en día regidospor un gran número de normasnacionales, en Argentina, en concreto,están descritos en la Reglamentación AEA/02.

Estos tres esquemas de conexión seestudian con detalle en el CuadernoTécnico 172, en el que se explican,para cada uno de ellos, los riesgosque presentan y los dispositivos deprotección asociada.

De todos modos, conviene recordar deforma resumida el principio defuncionamiento de cada uno.

El esquema TN(figura 17 )

n el neutro de transformador estápuesto a tierra,

n las masas de los receptoreseléctricos están conectadas al neutro.

El defecto de aislación se convierteen un cortocircuito actuando laprotección contra cortocircuitos quedesconecta la parte del circuito quetiene el defecto (DPCC).

La tensión de defecto (masa/tierraprofunda, llamada «contactoindirecto») es ≈ U0 / 2 si la impedanciadel circuito de «ida» es igual a la delcircuito de «retorno». Si es superior ala tensión límite convencional (UL) quees normalmente de 50 V, necesita unadesconexión tanto más rápida cuantoUd sea mayor que UL.

El esquema TT(figura 18 )

n el neutro del transformador estáconectado a tierra,

n las masas de los receptoreseléctricos están también conectadas ala toma de tierra.

La corriente de defecto de aislaciónestá limitada por la impedancia de latoma de tierra y la parte con el defectola desconecta un dispositivodiferencial residual –DDR–.

Fig. 17 : Esquemas TN-C y TN-S.

Fig. 18 : Esquema TT.

PEN

defecto

esquema TN-C

N

PE

esquema TN-S

defecto

N

PE

RB RA

defecto


La tensión de defecto es:

AB

A

RRR

UoUc+

= , superior a la

tensión UL; el DDR actúa desde que

A

L

RU

d ³I .

El esquema IT(figura 19 )

n el neutro del transformador no estáconectado a tierra. Teóricamente estáaislado, pero, de hecho, estáconectado a tierra a través de lascapacidades parásitas de la red y/opor una gran impedancia, de un valor≈ 1 500 Ω (neutro impedante),

n las masas de receptores eléctricosestán conectadas a tierra.

Si se produce un defecto deaislació, de hecho circula unapequeña corriente a través de lascapacidades parásitas de la red (1er

defecto en la figura 19 ).

La tensión desarrollada en las tomasde tierra de las masas (de unos pocosvoltios) no es peligrosa.

Si se presenta un segundo defecto(figura 19 ), cuando el primer defectono ha sido eliminado, hay unacorriente de cortocircuito y son losDPCC los que aseguran la protecciónnecesaria.

Las masas de los receptoresafectados pasan a tener aplicado elpotencial creado por la corriente dedefecto en sus conductores deprotección (CP).

1er defecto

defecto

RA

defecto defecto

doble defecto

A B

PE

Fig. 19 : Esquema IT.


Anexo 2: Ejemplo de preparación de un local librede perturbaciones electromagnéticas

Se trata de una sala en la que serealizan electroencefalogramas. Éstosson difíciles de leer porque lastensiones de medidas tienen valoresmuy bajos.

Algunos datos previosn las tensiones entre la camilla delpaciente y la masa del monitor,

n las tensiones entre las masas de losdiversos componentes del sistema demedida, y entre estas masas y lassituadas alrededor del paciente,

n las medidas de campo en todo ellocal indican que existen camposeléctricos desde algunos mV/m hastaunos 150 mV/m y campos magnéticosde AF desde algunos mA hasta unos10 mA (las conexiones monitor--captador forman bucles y hacen deantenas, cuando hay, por ejemplo, unscanner próximo o una emisora deradiodifusión!).

Son importantes los camposmagnéticos BF.

Lucha contra los camposeléctricosn apantallar las paredes y el suelocon moqueta antiestática; techo, conuna rejilla,

n sustituir los tubos fluorescentes porlámparas de incandescencia,

n sustituir los reguladores con triacspor autotransformadores variables,

n añadir circuitos antiparasitarios alos interruptores.

Lucha contra los camposmagnéticosn desviar canalizaciones de granintensidad con esquema TN-C quepasen por el local,

n entre estancias, realizar un blindajede las canalizaciones por las quepasen conductores eléctricos de granpotencia (la suma de corrientes en elcable puede no ser cero, debido alhecho de que la corriente de neutrovuelve a la fuente, en parte, a travésde las masas metálicas del edificio).

Lucha contra lasvariaciones de potencial delas masa y el PE de laestancian con calefacción central, conectar ala caja de Faraday los radiadores yaislarlos del resto de la instalación conmanguitos aislantes,

n pasar las tuberías de gasesmedicinales por la parte exterior de laestancia,

Fig. 20 : Alimentación de un local sin interferencias electromagnéticas.

n desacoplar la red eléctrica dealimentación de todas las tomas detierra por medio de un filtro AF ytransformador BT/BT con pantalla(anteriormente las tomas de corrienteestaban alimentadas desde diversoscircuitos, de ahí el riesgo de creaciónde bucles),

n desacoplar todas las masas y delPE del local por medio de unaautoinducción (hubiera sido muycostoso conectar directamente el PE ala toma de tierra del edificio pararealizar una «tierra sin ruido»).

La red eléctrica de esta estanciaespecializada se ha pasado delesquema TN-C al esquema TTimpedante, con riesgo nulo frente alos contactos indirectos (ZL sustituye aRB).

En este ejemplo (figura 20 ), quecorresponde a un caso real, la acciónde un especialista cualificado hapermitido aplicar la mayoría de lassoluciones que permiten evitarcualquier perturbación de los equiposelectrónicos sensibles; esto es lo quese hizo en este caso.

filtro AF BT BT

PE deledificio

DDR30 mA

Fase

N

Z L


Bibliografía

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