Trabajo de Fin de Grado: Puesta a Tierra en BT
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JON MIKEL LIZARRALDE JON MIKEL LIZARRALDE TRABAJO DE FIN DE GRADO ANÁLISIS DE LA INFLUENCIA DE LOS SISTEMAS DE PUESTA A TIERRA EN LA EFICIENCIA DE INSTALACIONES ELÉCTRICAS DE BAJA TENSIÓN RESIDENCIALES E INDUSTRIALES 1 ALUMNO: JON MIKEL LIZARRALDE BILBAO CURSO ACADÉMICO 2014/15 DIRECTOR: GARIKOITZ BUIGUES BERAZA
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TRABAJO DE FIN DE GRADO
ANÁLISIS DE LA INFLUENCIA DE LOS SISTEMAS DE PUESTA A TIERRA EN LA EFICIENCIA DE INSTALACIONES ELÉCTRICAS DE
BAJA TENSIÓN RESIDENCIALES E INDUSTRIALES
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ALUMNO: JON MIKEL LIZARRALDE BILBAO
CURSO ACADÉMICO 2014/15 DIRECTOR: GARIKOITZ BUIGUES BERAZA
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ÍNDICE DE CONTENIDOS
RESUMEN TRILINGÜE 5...................................................................................................
LISTA DE TABLAS 6..........................................................................................................
LISTA DE ILUSTRACIONES 8...........................................................................................
TERMINOLOGÍA 10............................................................................................................
1. INTRODUCCIÓN 11......................................................................................................
2. CONTEXTO 12..............................................................................................................
2.1. INTRODUCCIÓN A LOS REGÍMENES DE NEUTRO Y SU EVOLUCIÓN 12.......
2.1.1. Histórico 12..................................................................................................
2.1.2. Aparición y evolución de los ECT 12...........................................................
2.1.3. Causas y riesgos de los defectos de aislamiento 13...................................
3. ALCANCE 15................................................................................................................
4. BENEFICIOS DEL PROYECTO 16...............................................................................
4.1. BENEFICIOS TÉCNICOS 16.................................................................................
4.2. BENEFICIOS ECONÓMICOS 17..........................................................................
4.3. BENEFICIOS MEDIOAMBIENTALES 17...............................................................
5. ANÁLISIS DE ALTERNATIVAS 18...............................................................................
5.1. DISTRIBUCIÓN EN BT. INTRODUCCIÓN A LOS ECT NORMALIZADOS 18......
5.1.1. Conexiones a tierra. Definiciones 18...........................................................
5.1.2. Los ECT de la CEI 60 364 20......................................................................
5.1.2.1. El esquema TT (Neutro a tierra) 21.................................................
5.1.2.2. El esquema TN (Puesta a neutro) 22...............................................
5.1.2.3. El esquema IT (Neutro aislado o impedante) 23..............................
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5.2. EL ESQUEMA TT 25..............................................................................................
5.2.1. Introducción 25............................................................................................
5.2.2. Principales características del esquema TT 25...........................................
5.2.2.1. El esquema TT y la protección de las personas 25.........................
5.2.2.2. Desconexión automática de la alimentación en el ECT TT 27........
5.2.3. Elección de la sensibilidad de un DDR 29....................................................
5.2.4. Recomendaciones para mejorar la protección c. contactos indirectos 30....
5.2.5. Implementación del esquema TT 30............................................................
5.3. EL ESQUEMA TN 35.............................................................................................
5.3.1. Introducción 35............................................................................................
5.3.2. Principales características del esquema TN 35...........................................
5.3.2.1. El esquema TN y la protección de las personas 35.........................
5.3.2.2. Desconexión automática de la alimentación en el ECT TN 38........
5.3.3. Implementación del esquema TN 41...........................................................
5.4. EL ESQUEMA IT 44...............................................................................................
5.4.1. Introducción 44............................................................................................
5.4.2. Principales características del esquema IT 45............................................
5.4.2.1. El primer defecto de aislamiento en el esquema IT 45....................
5.4.2.2. El segundo defecto de aislamiento en el esquema IT 47................
5.4.3. Implementación y ventajas del esquema IT 50...........................................
6. DESCRIPCIÓN DE LA SOLUCIÓN 52.........................................................................
6.1. ELECCIÓN DEL ECT 52........................................................................................
6.1.1. Normativa 52...............................................................................................
6.1.2. Protección de las personas 52....................................................................
6.1.3. Riesgo de incendio 52.................................................................................
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6.1.4. Continuidad de servicio necesaria 53..........................................................
6.1.5. Instalación 54...............................................................................................
6.1.6. Compatibilidad electromagnética 55............................................................
6.1.7. Mantenimiento 55........................................................................................
6.1.8. Fiabilidad 56................................................................................................
6.1.9. Costes 56...................................................................................................
6.1.10. Elección del ECT. Conclusiones 56...........................................................
7. METODOLOGÍA (SIMULACIÓN MEDIANTE MATLAB/SIMULINK) 59.......................
7.1. SIMULACIÓN DEL ECT TT 60..............................................................................
7.2. SIMULACIÓN DEL ECT TN-S 61..........................................................................
7.3. RESULTADOS DE LAS SIMULACIONES 62........................................................
8. DESCRIPCIÓN DE TAREAS. GANTT 64.....................................................................
9. PRESUPUESTO (DESCARGO DE GASTOS) 65........................................................
10. CONCLUSIONES 67.....................................................................................................
11. FUENTES DE INFORMACIÓN 68................................................................................
A. ANEXO I: FIGURAS Y TABLAS 70..............................................................................
B. ANEXO II: NORMATIVA APLICABLE 75.....................................................................
C. ANEXO III: RESULTADOS 76 .......................................................................................
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RESUMEN TRILINGÜE
Nowadays, global society is more aware of electrical energy’s risks than never before, and electrical safety has turned a priority when a new installation is designed. So, a great protection to an unwanted electric hazard is required, being specially careful with indirect contacts. If a circuit has an insulation failure and an indirect contact is produced, there is risk of an accidental electrocution, risk that must be avoided by making a good choice of the grounding methodology and properly coordinating the electrical protections in the installation. In order to minimize that risk, a study of low voltage industrial and residential installation’s grounding methodologies is introduced, analyzing the tree grounding methodologies internationally accepted (TT, TN, IT). In addition, two real examples are solved (using a computer-aided engineering software), confirming the results of the theoretical study.
Bizi garen mundu honetan, gizarteak gero eta segurtasun maila handiagoa eskatzen du bizitzako arlo guztietan, segurtasun elektrikoan gero eta arreta gehiago ezarriz. Hori dela eta, elektrizazio arriskuak gutxitzea funtsezko lehentasuna da gaur egun, batez ere zeharkako kontaktuei dagokienez. Izan ere, isolatze falta bat izan duen zirkuitu baten zeharkako kontaktu bat gertatu ezkero, elektrokuzio arriskua suertatu daiteke. Arrisku hori zirkuituaren babesak ondo koordinatzearekin eta zirkuituaren lurrera jartze on batekin ekidin daiteke. Horretarako, dokumentu honetan behe tentsioko egoitza eta industria instalazioen lurrera jartze metodologien analisi bat aurkezten da, internazionalki onartutako hiru eskemak (TT, TN eta IT) sakontasunean ikertuz. Analisi teorikoaren ostean, bi kasu praktiko ebazten dira (ordenagailuaren laguntzaz), aurretik ikusitako baieztapenak osatzeko eta bermatzeko asmoarekin.
La sociedad actual cada vez es más exigente en materia de seguridad en todos los aspectos, y la seguridad en las instalaciones eléctricas no es una excepción. Por ello, se trata de conseguir una adecuada protección contra choques eléctricos, prestando especial atención a los contactos indirectos. Un contacto indirecto en un circuito que ha sufrido un defecto de aislamiento origina una electrización del cuerpo humano, que debe evitarse a toda costa mediante la elección de una adecuada metodología de puesta a tierra y una correcta coordinación de las protecciones eléctricas. Para ello, en el presente documento se realiza un estudio de la influencia de la metodología de puesta a tierra en instalaciones residenciales e industriales de baja tensión, analizando en profundidad los tres esquemas de conexión a tierra recogidos numerosas normas internacionales (TT, TN e IT). Ademas, dicho estudio teórico se contrasta y completa con la resolución de dos ejemplos prácticos mediante simulaciones asistidas por ordenador.
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LISTA DE TABLAS
Tabla 5.1: Secciones mínimas de los conductores de tierra 19...............................................
Tabla 5.2: Relación entre las secciones de los CP y los de fase 19........................................
Tabla 5.3: Valores límite de la resistencia de la toma de tierra (RA), en ohmios 26.................
Tabla 5.4: Tiempo de corte máximo para DRR en circuitos finales con IN < 32A 28................
Tabla 5.5: Tiempo de funcionamiento máximo de los DDR 28................................................
Tabla 5.6: Tiempos de corte en el ECT TN 37.........................................................................
Tabla 5.7: Tiempo de corte máximo en circuitos finales con IN < 32A 39.................................
Tabla 5.8: Factor de corrección a aplicar a las tablas A3-A6 50..............................................
Tabla 6.1: Influencia de las redes y de las cargas en la selección de los ECT 54...................
Tabla 6.2: Comparación de los ECT [1] 57..............................................................................
Tabla 7.1: Id para los ambos esquemas con 10Ω de resistencia a tierra 62............................
Tabla 7.2: Influencia del terreno. Id para redes TT con diferentes valores de resistencia de PAT 62.................................................................................................................................
Tabla 7.3: Valores de Uc para los dos ECT analizados 62.......................................................
Tabla 8.1: Descripción de las tareas del proyecto 64..............................................................
Tabla 9.1: Descargo de gastos del TFG 65............................................................................
Tabla A1: Sección del conductor neutro en función de la sección de los conductores de fase 70.................................................................................................................................
Tabla A2: Factor de corrección que debe aplicarse a las longitudes indicadas en las tablas A3-A6 70..............................................................................................................................
Tabla A3: Longitudes de circuito máximas (en metros) para tamaños diferentes de conductores de cobre y ajustes de corriente de disparo instantáneo para interruptores automáticos de uso general en esquemas TN de 230/240V con m = 1 70.........................
Tabla A4: Longitudes de circuito máximas (en metros) para diferentes tamaños de conductores de cobre y corrientes nominales para interruptores automáticos de tipo B en un esquema de 230/240V monofásico o trifásico TN con m = 1 71...............................
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Tabla A5: Longitudes de circuito máximas (en metros) para diferentes tamaños de conductores de cobre y corrientes nominales para interruptores automáticos de tipo C en un esquema de 230/240V monofásico o trifásico TN con m = 1 71...............................
Tabla A6: Longitudes de circuito máximas (en metros) para diferentes tamaños de conductores de cobre y corrientes nominales para interruptores automáticos de tipo D en un esquema de 230/240V monofásico o trifásico TN con m = 1 71...............................
Tabla A7: Comparación de los diferentes ECT 72...................................................................
Tabla A8: Fórmulas para estimar la resistencia de tierra en función de la resistividad del terreno y las características del electrodo 73......................................................................
Tabla A9: Valores orientativos de la resistividad en función del terreno 73.............................
Tabla A10: Valores medios aproximados de la resistividad en función del terreno 74............
Tabla A11: Magnitudes características de los ECT 74.............................................................
Tabla A12: Tiempos de corte máximos especificados en esquema IT (según CEI 60364 y NF C 15-100, tablas 41B y 48A) 74.....................................................................................
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LISTA DE ILUSTRACIONES
Fig. 2.1: Controlador de aislamiento 13...............................................................................
Fig. 2.2: Contacto indirecto 14.............................................................................................
Fig. 5.1: Ejemplo de una vivienda 18...................................................................................
Fig. 5.2: Conexión del neutro del transformador MT/BT 20.................................................
Fig. 5.3: Conexión de las masas de los receptores 20........................................................
Fig. 5.4: ECT TT 21.............................................................................................................
Fig. 5.5: ECT TN-S 22.........................................................................................................
Fig. 5.6: ECT TN-C 22.........................................................................................................
Fig. 5.7: ECT TN-C-S 23......................................................................................................
Fig. 5.8: ECT IT con neutro aislado 23................................................................................
Fig. 5.9: ECT IT con neutro impedante 23...........................................................................
Fig. 5.10: Ejemplo de coexistencia entre los diversos ECT 24............................................
Fig. 5.11: Corriente y tensión de defecto en ECT TT 26......................................................
Fig. 5.12: Ejemplo de selectividad horizontal 31.................................................................
Fig. 5.13: Ejemplo de selectividad vertical 32......................................................................
Fig. 5.14: Selectividad a) total y b) parcial 32......................................................................
Fig. 5.15: Selectividad total a) en dos niveles y b) en cuatro niveles 33.............................
Fig. 5.16: Selectividad total en dos niveles 33.....................................................................
Fig. 5.17: Interruptor Diferencial RCCB 2P 25A 30mA Tipo A de GE 34.............................
Fig. 5.18: Corriente y tensión de defecto en ECT TN 36.....................................................
Fig. 5.19: Defecto de aislamiento en una red a) TN-C y b) TN-S 39...................................
Fig. 5.20: Defecto de aislamiento en una red TN-C-S 39....................................................
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Fig. 5.21: Curva de disparo C según EN 60898 40.............................................................
Fig. 5.22: Curva de actuación de un fusible bajo el esquema TN 41..................................
Fig. 5.23: Esquema equivalente de una red con neutro aislado o impedante 44................
Fig. 5.24: Primer defecto de aislamiento en una red IT aislada 45.....................................
Fig. 5.25: Primer defecto de aislamiento en una red IT impedante 45................................
Fig. 5.26: CPA y accesorios digitales para monitorizar el aislamiento de la red 46.............
Fig. 5.27: Esquema en el que se está realizando la localización del primer defecto con dispositivos fijos y portátiles 47................................................................................................
Fig. 5.28: Segundo defecto de aislamiento en una red IT con las masas conectadas a la misma toma de tierra y el neutro a) distribuido y b) no distribuido 48.....................................
Fig. 5.29: Aplicación de DDR cuando las partes conductoras activas están conectadas a tierra individualmente o por grupos en un esquema IT 49....................................................
Fig. 5.30: Disparo del interruptor automático por doble defecto cuando las partes conductoras activas están conectadas a un CP común 49.....................................................
Fig. 6.1: Ejemplo de coexistencia de diferentes ECT en una instalación BT 58.................
Fig. 7.1: Creación de los modelos con Simulink 60.............................................................
Fig. 7.2: Modelo del ECT TT en Simulink 60.......................................................................
Fig. 7.3: Modelo del ECT TN-S en Simulink 61...................................................................
Fig. 8.1: Diagrama de Gantt 64...........................................................................................
Fig. 9.1: Partidas del descargo de gastos del presente proyecto 66...................................
Fig. 9.2: Costes del TFG para el alumno 66........................................................................
Fig. A1: Variación de la resistividad del terreno 73..............................................................
Resultados de las simulaciones: C1-C7 76-79....................................................................
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TERMINOLOGÍA
BT: Baja Tensión.
CA: Corriente Alterna.
CEM: Compatibilidad Electromagnética.
CP o PE: Conductor de Protección (Protective Earth).
CPA o CPI: Controlador Permanente de Aislamiento.
CPN o PEN: Conductor de Protección Neutro (Protective Earth, Neutral).
CT: Centro de Transformación.
DDR: Dispositivo de corriente Diferencial Residual (Interruptores diferenciales…).
DPCC: Dispositivo de Protección Contra Cortocircuitos (Interruptores automáticos, fusibles…).
ECT: Esquema de Conexión a Tierra (o régimen de neutro).
Ia: Corriente equivalente al valor necesario para utilizar el dispositivo de protección en el tiempo especificado (Corriente de disparo instantáneo (para DPCC) o corriente asignada (para DDR)).
Id: Intensidad de Defecto.
� : Sensibilidad de un DDR.
MT: Media Tensión.
PAT: Puesta a Tierra.
RA: Resistencia de la toma de tierra y de los conductores de protección.
REBT: Reglamento Electrotécnico para Baja Tensión.
RMS: Root Mean Square (valor eficaz).
SEC: Sistemas Electrónicos Comunicantes.
Ud: Tensión de Defecto.
UL: Tensión de contacto Límite.
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1. INTRODUCCIÓN
El presente trabajo de fin de grado trata sobre la influencia de los sistemas de puesta a tierra en instalaciones eléctricas residenciales e industriales de baja tensión (BT).
Siendo el objetivo del trabajo analizar el comportamiento ante faltas de los diferentes sistemas de puesta a tierra (PAT) empleados en la actualidad, cabe esperar que en las siguientes páginas nos encontremos con un exhaustivo estudio de los diferentes esquemas de conexión a tierra (ECT de ahora en adelante), antiguamente también denominados regímenes de neutro.
A continuación y para corroborar lo expuesto en el estudio teórico, se resuelven dos casos prácticos propuestos mediante simulaciones asistidas por ordenador, utilizando una de las herramientas más empleadas en el campo de la ingeniería eléctrica (MATLAB/Simulink).
Por tanto, siendo lo comentado en los dos párrafos anteriores el núcleo del trabajo, la estructuración de los contenidos es la siguiente:
En primer lugar, se introduce el contexto del trabajo, comenzando por los hitos históricos que más influyeron en la aparición de los regímenes de neutro y haciendo especial hincapié en la necesidad de los mismos.
Tras remarcar el objetivo del escrito, se describen el alcance y los beneficios de realizar dicho trabajo, seguido de un profundo análisis de alternativas (en el que se realiza el estudio teórico de las diferentes metodologías de puesta a tierra comentado anteriormente).
En las siguientes líneas y como aplicación de dicho estudio teórico, se resuelven dos ejemplos prácticos concretos, describiendo la metodología aplicada y analizando los resultados obtenidos.
Para finalizar el trabajo, se adjunta una descripción de las tareas realizadas (diagrama de Gantt), junto con el descargo de gastos del proyecto y las conclusiones del estudio.
Por último, cabe destacar que las fuentes de información y anexos pueden consultarse en las últimas páginas del documento.
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2. CONTEXTO
2.1. INTRODUCCIÓN A LOS ECT (REGÍMENES DE NEUTRO) Y SU EVOLUCIÓN
2.1.1. Histórico
Los primeros pasos en la utilización de la energía eléctrica en España y países vecinos se remontan a los últimos años del siglo XIX. De hecho, en el año 1875 se construyó la primera central eléctrica del país, ubicada en Barcelona. En unos pocos años, el aumento de la demanda eléctrica (inicialmente para iluminación y alumbrado, y posteriormente para muchos más fines) fue significativo, lo que impulsó la construcción de nuevas centrales e infraestructuras de transporte de energía eléctrica.
Mientras tanto, en 1886 se terminó la primera instalación de distribución de corriente alterna de EEUU, pudiendo así suministrar 100V CA a los primeros abonados. Tres años más tarde, se produjo la “batalla de las corrientes”, en la que partidarios de la corriente continua y alterna se enfrentarían para tratar de imponer su sistema frente al otro [1].
Para entonces, la comunidad científica ya se había percatado de los peligros del uso de la energía eléctrica, concluyendo que la corriente alterna era más peligrosa que la continua (en 1890 se realizaría la primera ejecución mediante la silla eléctrica con CA). El conocimiento de la existencia de estos peligros motivó la búsqueda de una mayor seguridad para las personas, produciéndose así la aparición de los esquemas de conexión a tierra (ECT de ahora en adelante) -antiguamente también denominados regímenes de neutro- que veremos a continuación [1].
2.1.2. Aparición y evolución de los ECT
A principios del siglo XX, concretamente en el año 1923, se impone en Francia la puesta a tierra de las masas mediante una nueva norma, con el fin de evitar 1
electrocuciones por contactos indirectos . Así, nace el primer esquema de conexión a 2
tierra, el neutro aislado. Además, para supervisar si hay algún defecto de aislamiento, se instalan controladores de aislamiento de seguridad, que consisten en la colocación de lámparas entre las diferentes fases y tierra, de modo que puede comprobarse la presencia
Masa: Conjunto de las partes metálicas de un aparato que, en condiciones normales, están 1
aisladas de las partes activas [2].
Contacto indirecto: Contacto de personas o animales domésticos con partes que se han puesto 2
bajo tensión como resultado de un fallo de aislamiento [2]. �12
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de un defecto de aislamiento al advertir el apagado de alguna de ellas (ver Fig. 2.1) [1], [2]:
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Fig. 2.1: Controlador de aislamiento [1].
Junto a ello, en 1927 en Francia se obliga a poner a tierra el neutro del transformador por decreto, para una tensión igual o superior a 150V CA. Este hecho, combinado con la aparición de los primeros interruptores automáticos diferenciales, produjo el nacimiento del esquema de conexión neutro a tierra, que será el esquema de conexión más utilizado en España, tal y como veremos más adelante [1].
En cuanto a la aparición de los regímenes de neutro utilizados hoy día (que se analizarán en detalle en las páginas que siguen), sólo queda por comentar la puesta a neutro, que se oficializó en 1962 en Francia con la norma NFC 15 100, aunque no se autorizó su utilización en el país hasta 1973. Según este esquema de conexión, las masas de los equipos se unen al conductor neutro (puesto a tierra en el punto de alimentación ), 3
en lugar de a una toma de tierra independiente [1].
2.1.3. Causas y riesgos de los defectos de aislamiento
Para terminar el contexto, se definirá el concepto de defecto o fallo de aislamiento, enunciando las causas que habitualmente los producen, exponiendo los riesgos que suponen y remarcando la necesidad de los ECT como herramienta para la minoración de dichos riesgos.
En primer lugar, definiremos un defecto de aislamiento como el fallo dieléctrico de un aislamiento por el efecto de un campo eléctrico elevado o por la degradación físico-química del material aislante. Este hecho, en caso de producirse un contacto (directo o
Generalmente el punto neutro de la estrella del devanado secundario del transformador MT/BT.3
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indirecto), puede tener como consecuencia una electrización o un choque eléctrico, 4
llegando incluso a producirse una electrocución , en el caso más desfavorable. Por 5
añadidura, cabe destacar que los defectos de aislamiento pueden ser diferenciales (entre conductores activos) o en modo común u homopolar (entre conductores activos y masa o 6
tierra), y que sus causas pueden ser muy variadas, como por ejemplo: el deterioro mecánico de los aislantes, polvo, envejecimiento térmico, esfuerzos electrodinámicos, sobretensiones… [2], [3].
Antes de continuar con el trabajo, se aclarará la diferencia entre contactos directos e indirectos, definiendo estos como [2]:
• Contacto directo: Contacto de personas o animales con partes activas de los materiales y equipos .7
• Contacto indirecto: Contacto de personas o animales domésticos con partes que se han puesto bajo tensión como resultado de un fallo de aislamiento (ver Fig. 2.2).
Fig. 2.2: Contacto indirecto [3].
Con el propósito de evitar los riesgos de choque eléctrico descritos, existen numerosas formas de protección frente a los contactos directos e indirectos.
En lo que al presente trabajo respecta, se hará especial hincapié en los contactos indirectos, debido a que la mejor forma de minimizar los riesgos que suponen es una adecuada coordinación de las protecciones eléctricas, junto con una buena elección de la metodología de PAT; cuestión que resulta ser el principal objeto de estudio del documento.
Electrización: Aplicación de una tensión entre dos partes del cuerpo humano [3].4
Electrocución: Electrización que provoca la muerte [3].5
No lo veremos, ya que las corrientes homopolares tienen lugar en MT y el alcance del presente 6
TFG se reduce a fenómenos de BT.
La protección frente a contactos directos se realiza mediante el aislamiento y la separación [3].7
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3. ALCANCE
El alcance del presente trabajo exige la entrega de cuatro copias en formato digital conteniendo este documento, donde se encuentra el análisis teórico de la influencia de la metodología de PAT en la eficiencia de instalaciones residenciales e industriales (en BT). Dicho estudio debe incluir un exhaustivo análisis de los tres esquemas de puesta a tierra normalizados y profusamente utilizados en numerosos países (TT, TN e IT), destacando 8
las virtudes y defectos de cada esquema.
A continuación, se adjunta una comparación de los tres ECT (apartado 6.1) que resulta muy útil a la hora de determinar que metodología de PAT es más adecuada para un caso concreto. En la siguientes líneas, se presentan dos ejemplos prácticos (resueltos mediante simulaciones asistidas por ordenador) que corroboran lo visto en el estudio teórico. Las últimas páginas del documento están dedicadas a la planificación del proyecto (diagrama de Gantt), descargo de gastos, conclusiones, fuentes de información y anexos.
Por tanto, tal y como se ha comentado en el primer párrafo, el alcance del proyecto abarca la entrega del trabajo terminado (cumpliendo con los objetivos del mismo) para la 9
fecha fijada en el calendario académico de la escuela, junto con la defensa del TFG ante un tribunal compuesto por tres miembros pertenecientes al mismo centro, realizando una presentación PowerPoint de 15 minutos de duración (preguntas incluidas).
Por último, cabe destacar que el alcance del trabajo no comprende el estudio en profundidad de fenómenos relacionados con la compatibilidad electromagnética, fenómenos de media tensión u otros aspectos especialmente particulares de la PAT, debido a que el esfuerzo requerido para realizar el TFG debe ser equivalente al número de horas necesarias para obtener 6 créditos ECTS.
Puede consultarse la norma CEI 60 364 [3].8
No debe olvidarse que el principal objetivo del trabajo es analizar el comportamiento ante faltas 9
de los diferentes sistemas de PAT.�15
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4. BENEFICIOS DEL PROYECTO
4.1. BENEFICIOS TÉCNICOS
Los beneficios técnicos de realizar una buena PAT están compuestos por beneficios en cuanto a la:
• Protección de las personas y mejora de la seguridad en general: una buena elección de la metodología de PAT para el caso concreto que se haya estudiado y una buena coordinación de las protecciones garantizan que las corrientes de defecto tengan la mínima magnitud posible y que tensiones de contacto superiores a UL sean despejadas por las protecciones eléctricas de la instalación en el menor tiempo posible, cumpliendo siempre con los tiempos máximos fijados por la normativa vigente (ver apartados 5.2.2.2 y 5.3.2.1). Estas buenas prácticas ayudan a minimizar riesgos de electrocución, deterioro de bienes y riesgos de incendio y de explosión de instalaciones.
• Fiabilidad de las instalaciones: el hecho de que el dimensionamiento de los conductores y el ajuste de las protecciones sea el correcto minimiza los daños sufridos por la instalación (ante faltas eléctricas como defectos de aislamiento, sobretensiones tipo rayo o maniobra en MT…), aumentando su durabilidad y mejorando su fiabilidad.
• Disponibilidad de energía: una buena PAT deja fuera únicamente los circuitos afectados por un defecto de aislamiento, incluso permitiendo el funcionamiento sin corte de suministro ni riesgo de electrocución en algunos casos (primer defecto en ECT IT). Esto ayuda a reducir riesgos para las personas, animales y bienes, y pérdidas económicas por la interrupción de la explotación por no tener una alta disponibilidad de energía (ver apartado 6.1.4), y se consigue mediante una correcta elección del ECT (o ECTs ), división de grandes circuitos en subcircuitos, y una buena selectividad (crono-10
métrica y amperimétrica) de disparo de las protecciones eléctricas.
• Funcionamiento de equipos electrónicos sensibles: realizar una instalación que respete la normativa de CEM ayuda a mejorar el funcionamiento de las redes con alta carga de equipos electrónicos y/o informáticos, reduciendo las perturbaciones en la red y evitando disparos intempestivos de las protecciones de los circuitos.
Conviene separar los circuitos esenciales de los no esenciales. Tal y como se verá en las 10
siguientes páginas, será posible la coexistencia de diferentes ECT en una misma instalación [3].�16
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4.1. BENEFICIOS ECONÓMICOS
Los beneficios técnicos expuestos en la página anterior traen consigo beneficios económicos como los siguientes:
• Menores costes de instalación: Diseñar y dimensionar adecuadamente una instalación eléctrica reduce los costes de instalación debido a la posible reducción de las secciones de conductores (siempre respetando la normativa vigente), posibilidad de reducción del número de conductores necesarios (por ejemplo, el ECT TN-C utiliza un conductor menos que el TN-S), simplificación de las protecciones…
• Menores costos de mantenimiento: El aumento de la fiabilidad de la instalación repercute en un menor costo de mantenimiento. Así mismo, en esquemas como el IT es posible realizar un mantenimiento preventivo que evite una posterior avería, gracias al controlador permanente de aislamiento instalado.
• Reducir pérdidas económicas inducidas por una baja disponibilidad de energía: Tal y como se ha comentado anteriormente, si la PAT de una instalación no garantiza una adecuada disponibilidad de energía, pueden producirse importantes pérdidas económicas por la interrupción de la actividad industrial en fábricas, talleres, oficinas…
4.2. BENEFICIOS MEDIOAMBIENTALES
En lo que a los beneficios medioambientales se refiere, cabe destacar los siguientes:
• Mayor durabilidad de equipos y componentes: Debido al aumento de la fiabilidad de las instalaciones, se reduce el número de fallos eléctricos y se consigue una mayor vida útil de los equipos y componentes de la instalación, reduciendo la necesidad de tener que ser reemplazados por unos nuevos en un relativamente breve periodo de tiempo.
• Reducción de la huella de carbono: El hecho de disminuir las necesidades de sustitución de componentes y mantenimiento se traduce en una menor emisión de gases de efecto invernadero y, por consiguiente, en una reducción de la huella de carbono.
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5. ANÁLISIS DE ALTERNATIVAS
5.1. DISTRIBUCIÓN EN BT. INTRODUCCIÓN A LOS ECT NORMALIZADOS
5.1.1. Conexiones a tierra. Definiciones
Antes de profundizar en cada uno de los esquemas de conexión a tierra actualmente utilizados a nivel internacional (recogidos en la norma CEI 60 364), es procedente definir los elementos más importantes que conforman una puesta a tierra. Para realizar dicha labor, nos apoyaremos en la siguiente figura, sobre la que definiremos los elementos numerados [3] [4]:
1) Toma de tierra: Conductor o grupo de conductores que se encuentran en estrecho contacto con tierra y proporcionan una conexión a tierra [3].
Para la toma de tierra se pueden utilizar electrodos formados por barras, tubos, conductores desnudos, placas, anillos, mallas metálicas u otras estructuras enterradas que se demuestre que son apropiadas [4].
La profundidad de enterramiento nunca será inferior a 0,5m, garantizando que los posibles efectos climáticos no aumenten la resistencia de la toma y asegurándose de que los materiales empleados sean resistentes a la corrosión [4].
2) Conductor de tierra: Conductor de protección que conecta el terminal principal de conexión a tierra (6) de una instalación a una toma de tierra (1) o a otro medio de conexión a tierra (en esquemas TN) [3].
Su sección nunca será inferior a la mínima exigida para los conductores de protección (3) y vendrá dada por la tabla 5.1 [4].
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Fig. 5.1: Ejemplo de vivienda [2].
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Tabla 5.1: Secciones mínimas de los conductores de tierra [4].
3) Conductores de protección: Unen las masas de una instalación a ciertos elementos (en función del ECT empleado), con el fin de asegurar la protección contra contactos indirectos [4].
Su sección vendrá dada por la tabla 5.2, siempre que estos hayan sido fabricados del mismo material que los conductores activos [4].
Tabla 5.2: Relación entre las secciones de los conductores de protección y los de fase [4].
En los casos que los conductores de protección no forman parte de la canalización de alimentación, se utilizarán conductores de cobre de 2’5mm2 de sección (si estos disponen de protección mecánica) y de 4mm2 si no disponen de dicha protección [4].
Tal y como veremos más adelante al estudiar los diferentes ECT, denominaremos PE (Protective Earth) a los conductores de protección en todos los casos, salvo en el esquema TN, cuando haya un conductor que cumpla conjuntamente las funciones de conductor de protección y neutro. En tal caso denominaremos PEN a dicho conductor.
4) Partes conductoras extrañas: Son elementos que no forman parte de la instalación eléctrica, pero que pueden introducir un potencial peligroso respecto de tierra bajo condiciones de defecto. Son partes conductoras extrañas, por ejemplo, estructuras metálicas de edificios, conductos y tuberías de metal… [3].
5) Conductores de conexión/equipotenciales: Son conductores de protección que proporcionan una conexión equipotencial. Deben tener una sección no inferior a la mitad
TIPO Protegido mecánicamente No protegido mecánicamente
Protegido contra la corrosión Misma que los conductores de protección
16 mm2 Cobre16 mm2 Acero Galvanizado
No protegido contra la corrosión
25 mm2 Cobre50 mm2 Hierro
S: Sección de los conductores de fase (mm2) Sp: Sección mínima de los conductores de protección (mm2)
�
S ≤1616 < S ≤ 35S > 35
�
Sp = SSp = 16Sp = S / 2
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de la del conductor de protección de sección mayor de la instalación, con un mínimo de 6mm2 (2’5mm2 si es de cobre) [3] [4].
6) Terminal principal de conexión a tierra: terminal o barra que se utiliza para conectar el medio de conexión a tierra la conexión de los conductores de protección, incluidos los conectores de conexión equipotencial [3].
7) Conexión removible: permite comprobar la resistencia de la toma de tierra [3].
5.1.2. Los ECT de la CEI 60 364
La Comisión Electrotécnica Internacional recoge en la norma CEI 60 364 los tres ECT que son profusamente utilizados en las instalaciones eléctricas de todo el mundo y que analizaremos en detalle en las siguientes líneas [5].
La nomenclatura utilizada para designar el tipo de esquema consta de dos letras, que indican el tipo de conexión a tierra de la red de distribución o de la alimentación, por un lado, y de las masas de la instalación receptora, por otro [5] [6].
• 1ª letra: Conexión del neutro del trafo MT/BT (T: Tierra, I: aislado o impedante).
Fig. 5.2: Conexión del neutro del transformador MT/BT [5].
• 2ª letra: Conexión de las masas de los receptores (T: masa conectada directamente a tierra, N: masa conectada al neutro).
Fig. 5.3: Conexión de las masas de los receptores [5].
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Siguiendo la nomenclatura anterior, los tres ECT normalizados internacionalmente son los siguientes [5]:
• El esquema TT (Neutro a tierra)
• El esquema TN (Puesta a neutro)
• El esquema IT (Neutro aislado o impedante)
A continuación se realizará una breve introducción a cada ECT.
5.1.2.1. El esquema TT (Neutro a tierra)
En el ECT TT, el punto de alimentación (generalmente el neutro) se une directamente a tierra, mientras que las masas de la instalación receptora se conectan a una toma de 11
tierra separada de la de alimentación (ver Fig. 5.4) [6], [7].
Fig. 5.4: ECT TT [6].
En el presente esquema, de la simple inspección de la figura puede deducirse que, de producirse una falta a tierra en la instalación receptora, la corriente de retorno circulará a través de la tierra desde la toma de tierra de la instalación receptora hasta la toma de tierra de la alimentación. Por tanto, la corriente de defecto de aislamiento está limitada, sobre todo, por la impedancia tierra y de las tomas de tierra [6].
No obstante, pueden aparecer tensiones de contacto peligrosas y resulta imprescindible reforzar la protección para asegurar la protección de las personas. En el ECT TT, dicha protección queda asegurada por los DDR dispuestos en la instalación, 12
Todas las masas de una misma instalación deben estar conectadas a la misma toma de tierra 11
[7]
Los DDR son dispositivos amperométricos de protección que se desconectan cuando el sistema 12
filtra una corriente significativa a la tierra. Para una mayor información, puede consultarse la página web http://www.abb.es/product/es/9AAC100503.aspx
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desconectando éstos la zona afectada por el defecto aguas abajo de los mismos. En el apartado 5.2.2.1 veremos que en algunos casos especiales es posible garantizar la protección con DPCCs (interruptores automáticos, fusibles…) en lugar de DDRs, aunque la instalación de DDRs es altamente recomendable, debido a que los DPCCs no son capaces de detectar pequeñas intensidades de defecto como las que se dan en el esquema TT [3], [8].
5.1.2.2. El esquema TN (Puesta a neutro)
En el caso del ECT TN, el neutro del transformador se conecta a tierra y las masas de los receptores eléctricos se unen al neutro, tal y como puede apreciarse en las figuras de este apartado [8].
Además, para el esquema TN, se añade otra letra a la nomenclatura descrita en el apartado 5.1.2, referida a la situación relativa del conductor neutro y del conductor de protección. Así, se tienen tres variantes para el ECT TN [6]:
• S: funciones de neutro (N) y de protección (CP) aseguradas por conductores separados � ECT TN-S
Fig. 5.5: ECT TN-S [6].
• C: funciones de neutro y de protección conjuntas, es decir, combinadas en un solo conductor (CPN) � ECT TN-C
Fig. 5.6: ECT TN-C [6].
→
→
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• ECT TN-C-S: Es una combinación de los esquemas TN-C y TN-S. Como veremos más adelante al analizar el ECT TN en profundidad, la utilización del ECT TN-C aguas abajo del TN-S queda prohibida [3], [8].
Fig. 5.7: ECT TN-C-S [6].
A diferencia del esquema TT, cabe destacar que, en el ECT TN, cualquier intensidad de defecto franco fase-masa es una intensidad de cortocircuito, ya que el bucle de defecto está constituido exclusivamente por elementos conductores metálicos. Por ello, dicho defecto podrá ser despejado mediante un DPCC [8], [9].13
5.1.2.3. El esquema IT (Neutro aislado o impedante)
En el ECT IT el neutro del transformador MT/BT puede estar aislado (ver Fig. 5.8) o puesto a tierra a través de una resistencia de valor elevado (entre � y � , ver Fig. 5.9). Las masas de la instalación receptora están puestas directamente a tierra, al igual que en el ECT TT [1], [3], [6].
Fig. 5.8: ECT IT con neutro aislado [3]. Fig. 5.9: ECT IT con neutro impedante [6].
1000Ω 2000Ω
�
�
En algunos casos será necesario instalar protecciones DDR, tal y como se verá más adelante.13
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En el esquema IT, si se produce un primer defecto fase-masa o fase-tierra, teóricamente el bucle de defecto no se cerraría al estar aislado el neutro de la alimentación. En realidad, sí que se desarrolla una pequeña corriente debida a las capacidades parásitas de la red (o debida a la conexión del neutro a tierra a través de una impedancia), pero su reducido valor no produce tensiones de contacto peligrosas. Este hecho hace que el ECT IT sea empleado en situaciones en los que la continuidad de suministro sea un aspecto crítico [1], [8], [9].
No obstante, si se presenta un segundo defecto de aislamiento en otra fase, sin haberse eliminado el primero, y todas las masas están interconectadas, se produce un cortocircuito (a través del CP), que deberá ser despejado por el DPCC correspondiente. 14
Esto hace que sea habitual instalar un CPA para advertir de la presencia de un primer defecto y proceder a su subsanación en el menor tiempo posible [8].
En las líneas que siguen, se analizarán en profundidad cada uno de los ECT de la norma CEI 60 364, destacando las ventajas e inconvenientes de cada esquema de conexión. La elección del ECT más adecuado para cada caso se realizará atendiendo a las características técnicas y económicas de cada instalación, cumpliendo siempre con la normativa aplicable [9].
Para el caso de España, el REBT prescribe la utilización del ECT TT (y del IT en algunos casos) para redes de distribución pública, mientras que se permite la elección del ECT más adecuado para instalaciones de BT, a partir de un CT de abonado [6].
Por último, cabe destacar que aunque puede aplicarse el mismo ECT para toda una instalación de BT, también pueden coexistir varios ECT en una misma instalación, por ejemplo, como se refleja en la siguiente figura [5]:
Fig. 5.10: Ejemplo de coexistencia entre los diversos ECT [5].
Se emplearán DPCC en el caso de que las masas estén interconectadas mediante el CP y DDR 14
en el caso de que las masas tengan tomas de tierra distintas [8].�24
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5.2. EL ESQUEMA TT
5.2.1. Introducción
En el contexto del presente TFG se explicaron los riesgos que aparecen al tener un defecto de aislamiento y la importancia que tiene para la seguridad de las personas el minimizar dichos riesgos, mediante una adecuada instalación de PAT. Por ello, se comenzará el análisis del ECT TT por el aspecto de la seguridad (estudiando las magnitudes de tensiones de contacto y de intensidades de defecto), y se tratarán los demás factores (técnicos, económicos…) en los siguientes apartados.
5.2.2. Principales características del esquema TT
5.2.2.1. El esquema TT y la protección de las personas
Dentro de los riesgos de los defectos de aislamiento introducidos en el contexto, se hará especial hincapié en los contactos indirectos y en cómo minimizarlos mediante la protección por corte automático de la alimentación. Para la protección mediante disposiciones especiales (como el empleo de materiales de clase II o nivel equivalente de aislamiento, conexiones equipotenciales, separación por medio de transformadores de aislamiento…) puede consultarse la ITC-BT-24 del REBT [3].
El corte automático de la alimentación tiene por objeto impedir que una tensión de contacto de valor suficiente se mantenga un tiempo que resulte peligroso (está prescrita su utilización para los casos en los que exista un riesgo para las personas o animales domésticos, según la norma UNE 20.572-1) [10].
Por añadidura, cabe destacar que la tensión de contacto límite convencional suele ser 50V (valor eficaz en CA), aunque en algunos casos especiales se toma 24V como límite (alumbrado público, instalaciones temporales y provisionales de obra…), o incluso 12V (para volúmenes 0 y 1 de piscinas y fuentes, etc). A continuación, veremos cómo se realiza el corte automático de la alimentación en el esquema TT [11],[12].
Tal y como se ha comentado en el apartado 5.1.2.1, al producirse un defecto de aislamiento en una instalación con ECT TT, el bucle de defecto se cierra a través de la tierra, quedando limitada la corriente de defecto Id, sobre todo, por las resistencias de tierra. El recorrido de dicha corriente de defecto queda reflejado en la figura 5.11 [5].
Adoptando la hipótesis de defecto franco, la corriente de defecto tendrá un valor de:
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� [5.1]
Que producirá una tensión de defecto (en la resistencia de tierra de la parte receptora):
� [5.2]
Que, generalmente, será peligrosa (por ser los valores de las resistencias de tierra reducidos y del mismo orden, en torno a los 10 ohmios), por lo que será necesario instalar DDRs que garanticen el corte automático de la alimentación [5].
Fig. 5.11: Corriente y tensión de defecto en ECT TT [5].
La sensibilidad (� ) típica de un DDR en instalaciones residenciales suele ser de
30mA, mientras que en la industria suelen utilizarse DDRs de 300mA. En la siguiente tabla se presentan los diferentes valores (máximos) para la resistencia de la toma de tierra (RA), para tensiones de contacto límite de 50V y 25V y para las diferentes sensibilidades típicas de los DDR [5]:
Tabla 5.3: Valores límite de la resistencia de la toma de tierra (RA ), en ohmios [5].15
Id !Uo
Ra + Rb
Ud = Id ·Ra
IΔn
50V 25V
3A 16 8
1A 50 25
500mA 100 50
300mA 166 83
30mA 1660 833
(debajo) / UL (derecha)IΔn
Siendo estrictos, RA comprende la resistencia de la toma de tierra y la de los conductores de 15
protección. Además, la resistencia de la toma de tierra depende de las dimensiones del electrodo, de su forma y de la resistividad del terreno en el que se establece. Esta resistividad varía frecuentemente de un punto a otro del terreno, y varia también con la profundidad (ver tablas A8-A10 de los anexos) [4].
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Cabe remarcar que la tabla anterior se ha obtenido de aplicar la siguiente condición (siendo I el valor de la corriente que garantiza el funcionamiento adecuado del dispositivo de protección, para el caso de los DDR, � ) [10]:
� [5.3]
Cuando el valor de RA sea muy reducido, pueden ser empleados como dispositivos de protección DPCC en lugar de DDR, siempre que se cumpla alguna de las dos siguientes condiciones [11]:
• Que el DPCC posea una característica de funcionamiento de tiempo inverso y se asegure el funcionamiento en 5s como máximo.
• Que el dispositivo posea una característica de funcionamiento instantánea y la corriente I sea la que garantice dicho funcionamiento instantáneo.
No obstante, si bien no siempre es necesario el empleo de un DDR, sí que es recomendable en la mayoría de los casos. Por tanto, generalmente se colocará al menos un DDR en la cabecera de la instalación (protegiendo de los contactos indirectos todo lo que haya aguas abajo), ya que la corriente de defecto suele ser demasiado baja como para garantizar un nivel de protección adecuado mediante el empleo de DPCC [5], [13].
En las líneas que siguen, se tratará el aspecto de los tiempos máximos para la desconexión automática de la alimentación bajo el esquema TT.
5.2.2.2. Desconexión automática de la alimentación en el ECT TT
En primer lugar, se recuerda que el mayor valor de la tensión de contacto que es tolerado indefinidamente por norma para la seguridad de las personas es de 50V (o inferior, en casos especiales). Cuando se excede dicho valor, se requiere de una rápida desconexión de la alimentación, tanto más rápida cuanto mayor sea la tensión de contacto Uc [3].
En lo que a los tiempos de actuación de los DDR respecta, la norma IEC 60364-4-41 especifica los tiempos de funcionamiento máximos permisibles para los dispositivos de protección, bajo el ECT TT, de la siguiente manera [3]:
• Para los circuitos finales de corriente nominal menor o igual a 32A, los tiempos de funcionamiento son los que se presentan en la siguiente tabla:
IΔn
I ⋅RA ≤UL
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Tabla 5.4: Tiempo de corte máximo para DRR en circuitos finales con [3].16
• Para el resto de circuitos, se fija el límite superior del tiempo de actuación en 1s.
Debido a que generalmente el tiempo de actuación de los DDR es muy inferior a 1s, es posible conseguir una selectividad de disparo (cronométrica) que desconecte todos los circuitos bajo falta y el mínimo número de circuitos no afectados por la/s falta/s. Dicha selectividad se consigue mediante la instalación de DDRs instantáneos en los circuitos finales y DDRs temporizados (tipo “S”) en los circuitos situados aguas arriba. Así, al producirse un defecto de aislamiento en un circuito final, actuarán en primer lugar las protecciones instantáneas, aislando de la red únicamente el circuito final. En el caso de que dichas protecciones fallasen, actuarían las protecciones temporizadas aguas arriba (y así sucesivamente, en tantos niveles de selectividad como se desee y sea posible) [3], [5].
En la misma línea, cabe destacar que los DDR de tipo industrial (según norma IEC 60947-2) ofrecen más posibilidades de selectividad debido a su flexibilidad en la temporización, frente a los DDR domésticos. En la siguiente tabla se muestran los tiempos de funcionamiento máximos para DDR domésticos e industriales, de tipo G (general) y tipo S (selectivo) [3], [14]:
Tabla 5.5: Tiempo de funcionamiento máximo de los DDR [3].
IN < 32A
Tensión de contacto, UC (V)16 Tiempo (s)
0,3
0,2
0,07
0,04
� 230 <Uc ≤ 400
�50 <Uc ≤120
�Uc > 400
�120 <Uc ≤ 230
1 2 5 >5
Doméstico Instantáneo 0,3 0,15 0,04 0,04
Tipo S 0,5 0,2 0,15 0,15
Industrial Instantáneo 0,3 0,15 0,04 0,04
Temporización (0,06) 0,5 0,2 0,15 0,15
Temporización (otros) Según el fabricante
x � IΔn
Para la tensión de contacto Uc, se tomará la tensión nominal fase-tierra.16
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5.2.3. Elección de la sensibilidad de un DDR
A la hora de elegir la sensibilidad del DDR (� ) en una red TT, deberán cumplirse las
dos siguientes condiciones para garantizar que el dispositivo actuará cuando haya un defecto de aislamiento (ecuación 5.4) y no actuará erróneamente en el caso de que no haya defecto (ec. 5.5) [12]:
� [5.4]
� aguas abajo del diferencial [5.5]
Siendo UL la tensión de contacto límite y RA la suma de las resistencias de la toma de tierra y de los conductores de protección.
Si se diera el caso de que las corrientes de fuga pudieran superar el valor de la segunda condición, habría que tomar medidas (como limitar el número de tomas de corriente protegidas por el mismo DDR, utilizar equipos con aislamiento clase II…) para evitar el disparo intempestivo del DDR [12].
Además, la norma IEC 60 364 recomienda encarecidamente (y en algunos países se obliga) la utilización de DDRs de alta sensibilidad (30mA) en los siguientes casos [3]:
• Circuitos con toma de corriente para intensidades nominales �
• Circuitos con toma de corriente en ubicaciones húmedas (para cualquier corriente)
• Circuitos con toma de corriente en instalaciones provisionales
• Circuitos de suministro a lavanderías y piscinas
• Circuitos de alimentación provisionales de obra, caravanas, barcos y ferias
En lo que a las áreas de las instalaciones con riesgo de incendio respecta, la sensibilidad del DDR deberá ser igual o inferior a 500mA, preferentemente 300mA. Esta condición es obligatoria en numerosos países y recomendada en otros [3].
Por último, cabe remarcar que los DDR no están diseñados para soportar corrientes de cortocircuito indefinidamente, por lo que será procedente reforzar la protección mediante la asociación de un DPCC aguas arriba y en serie con el DDR. Resulta evidente comprobar que si se coloca el DPCC aguas abajo del DDR, este último queda desprotegido de los cortocircuitos que pudieran producirse entre ambos dispositivos [12].
IΔn
IΔn ≤UL
RA
IΔn2
> I fuga
≤ 32A
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5.2.4. Recomendaciones para mejorar la protección contra contactos indirectos
Relacionado con la protección contra los contactos indirectos, a continuación se presentan una serie de recomendaciones que ayudan a minimizar riesgos de choque eléctrico y electrocución [12]:
• Tratar de mantener un aislamiento correcto mediante el mantenimiento necesario.
• Evitar largas longitudes en los conductores que se encuentran bajo un único DDR, ya que las altas capacidades introducidas por el aislamiento aumentan las fugas a tierra y se podría producir el cegado o bloqueo del DDR, provocando disparos intempestivos.
• Asegurar la continuidad de los diferentes elementos que componen la instalación de PAT:
- Chequear la continuidad de las masas al conductor de tierra
- Comprobar el grado de continuidad que presenta el circuito de tierra, realizando mediciones periódicas del valor de su resistencia y anotándolas para estudiar su evolución temporal.
- Se recomienda la soldadura aluminotérmica para la conexión entre el cable de la red de tierra y las picas, pletinas… enterradas.
5.2.5. Implementación del esquema TT
En este apartado se describirán los aspectos más importantes a tener en cuenta a la hora de realizar la implementación de un esquema TT, introduciendo el concepto de coordinación de los dispositivos de protección y profundizando en el concepto de selectividad anteriormente introducido. Para finalizar el apartado, se verán distintos tipos de interruptores diferenciales (DDR) y sus curvas de disparo.
Al realizar una instalación bajo el ECT TT, se dimensionarán todos los conductores según lo visto en el apartado de definiciones de los elementos de la puesta a tierra y se elegirá la sensibilidad de los DDR según el apartado 5.2.3, con el fin de realizar una buena coordinación de los dispositivos de protección.
En las siguientes líneas se describirá qué entendemos por una buena coordinación de los dispositivos de protección, en este caso para los DDR. Este concepto está estrechamente relacionado con el de selectividad, que puede definirse como la
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característica que permite que un fallo no deje fuera de servicio toda una instalación, actuando la protección diferencial más próxima al punto de defecto e impidiendo al mismo tiempo la actuación de cualquier otro dispositivo situado en otro punto de la instalación.
Cuando varios dispositivos de protección diferencial se proyectan para una misma instalación, si se requiere selectividad, pueden ser dispuestos según cualquiera de los siguientes esquemas [15]:
• Selectividad horizontal: Deben cumplirse las siguientes condiciones [14], [15], [16]:
- Inexistencia de dispositivo diferencial en cabecera de la instalación.
- La cabecera de cada circuito individual deberá estar protegida por un DDR de sensibilidad acorde al riesgo considerado (intensidad de defecto de actuación adecuada).
- La conexión del dispositivo de protección de reserva y del interruptor diferencial debe realizarse a prueba de cortocircuitos (clase II).
En la siguiente figura podemos observar un ejemplo de selectividad horizontal:
Fig. 5.12: Ejemplo de selectividad horizontal [16].
• Selectividad vertical: Para asegurar la selectividad vertical (ver Fig. 5.13), deben cumplirse las siguientes tres reglas [16]:
- Selectividad cronométrica: tal y como se adelantó en el apartado 5.2.2.2, se debe garantizar que el DDR aguas arriba (tipo “S”) no actúe antes que el de aguas abajo, respetando siempre los tiempos máximos de actuación, esto es,
� [5.6] tr(A) > tf (B)
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Siendo tr el tiempo de no respuesta (retardo del disparo) del DDR aguas arriba y tf el tiempo de funcionamiento (desde la detección del defecto hasta la interrupción total de la corriente) del DDR aguas abajo.
- Selectividad amperimétrica: La sensibilidad � del DDR aguas arriba debe ser
mayor del doble que la del DDR aguas abajo (según IEC 64-8/563.3), debido a que un DDR de sensibilidad � debe actuar por norma (UNE EN 61008 / 61009 y
60947-2) para corrientes de valor entre � e � [15], [17].
- Selectividad de tipo: El tipo o clase de diferencial aguas arriba debe ser superior o igual al de aguas abajo (B > A > AC).
Fig. 5.13: Ejemplo de selectividad vertical [16].
Para terminar con los tipos de selectividad, cabe destacar que la selectividad es total si sólo dispara el interruptor situado aguas abajo, para cualquier valor de la intensidad de cortocircuito. De no ser así, la selectividad será considerada parcial [15].
Fig. 5.14: Selectividad a) total y b) parcial [14].
IΔn
IΔn
IΔn / 2 IΔn
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Hoy día es habitual la selectividad en dos, tres o incluso cuatro niveles (ver Fig. 5.15). Además, en cada cuadro eléctrico suele disponerse de protecciones contra contactos directos como protección complementaria a los DDR [3].
Fig. 5.15: Selectividad total a) en dos niveles y b) en cuatro niveles [3].
En la siguiente figura pueden observarse las curvas de disparo de los DDRs con selectividad total en dos niveles [3]:
Fig. 5.16: Selectividad total en dos niveles [3].
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A continuación y para terminar el apartado, realizaremos una clasificación de los interruptores diferenciales, en función de la…:
• Tipología:
- Diferencial puro: Sólo protegen contra corrientes de fuga.
- Interruptor magnetotérmico diferencial (combinado): Protegen contra corrientes de fuga y contra corrientes de sobrecarga o cortocircuito.
- Relé diferencial: Se usa en circuitos con intensidad nominal elevada.
• Clase: en función de la forma de onda de los corrientes de fuga a tierra a las que son sensibles [14], [15]:
- Clase AC: Aseguran la desconexión ante una corriente diferencial alterna senoidal aplicada bruscamente o de valor creciente. Son los más simples.
- Clase A: Permiten detectar corrientes de fuga alternas o pulsantes con o sin componente continua aplicadas bruscamente o de valor creciente (Resultan especialmente útiles en instalaciones con muchos equipos electrónicos).
- Clase B: Son sensibles a las mismas corrientes que la clase A, además de a la corriente continua alisada (como la procedente de rectificadores).
• Sensibilidad:
- Baja sensibilidad: � , no se utilizan para contactos directos.
- Alta sensibilidad: �
• Tiempo de respuesta [14]:
- Instantáneos (tipo G): Actúan inmediatamente después de producirse el defecto.
- Selectivos (tipo S): Pueden temporizarse.
IΔn > 30mA
IΔn ≤ 30mA
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Fig. 5.17: Interruptor Diferencial RCCB 2P 25A 30mA Tipo A de General Electric [14].
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5.3. EL ESQUEMA TN
5.3.1. Introducción
En este apartado se profundizará en el esquema TN ya introducido en el punto 5.1.2.2, realizando un estudio teórico de estructura similar al del TT.
Recordando lo que se comentó en la introducción del ECT TN, cualquier intensidad de defecto franco fase-masa es ahora (a diferencia del TT) una intensidad de cortocircuito (fase-neutro), ya que el bucle de defecto está constituido exclusivamente por elementos conductores metálicos. Este hecho implica que la tensión de defecto (Ud) sea peligrosa (del orden de � , si la impedancia del circuito de ida es similar a la de retorno), por ser
superior a UL. Por ello, dicho defecto podrá ser despejado mediante un DPCC [1], [8], [9].17
No obstante, uno de los inconvenientes de estos elevados niveles de corriente es que se pueden dar tensiones de contacto que superen en un 50% el valor de la tensión simple en el punto de defecto (durante el tiempo de la desconexión). Por ello, en la práctica, suelen instalarse tomas de tierra regularmente a lo largo del CP para la red de distribución general, con el fin de mantener el potencial del CP lo más cercano al potencial de tierra en caso de fallo. A menudo, es necesario que el consumidor instale una toma de tierra en la entrada del servicio [3], [10].18
En las líneas que siguen analizaremos el comportamiento del ECT TN ante un defecto de aislamiento.
5.3.2. Principales características del esquema TN
5.3.2.1. El esquema TN y la protección de las personas
Al producirse un defecto de aislamiento en una red TN, la corriente de defecto Id únicamente está limitada por la impedancia de los cables del bucle de defecto. Si suponemos que la falta se produce, por ejemplo, en la fase uno, el valor de la corriente de defecto vendrá dado por la fórmula 5.7 (ver Fig. 5.18) [5]:
� [5.7]
U0 / 2
Id =U0
Rfase1 + Rd + RCP
En algunos casos se deberán instalar protecciones DDR en redes TN (ver apartado 5.3.2.2).17
La ruta a través de cada toma de tierra hacia la fuente tendrá por lo general valores de 18
impedancia mucho mayores que la impedancia de los conductores, por lo que puede despreciarse [3].
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Fig. 5.18: Corriente y tensión de defecto en ECT TN [5].
Suponiendo defecto franco (� ) y para una salida determinada, se tiene (adoptando
la hipótesis de que las impedancias aguas arriba de la salida provocan una caída de 19
tensión del orden del 20% de la nominal) [5]:
� [5.8]
Y la tensión de defecto Ud que genera esta corriente tendrá un valor de ,
que será peligrosa, tal y como se ha comentado (del orden de � , de hecho �
para el caso de la ecuación 5.8, si � ), incluso en lugares secos [5].
Al analizar el ECT TT se vieron las condiciones para el correcto funcionamiento de los DDR. En la misma línea, para el esquema TN, la condición para el funcionamiento de los DPCC será que la corriente de defecto sea superior al umbral de funcionamiento instantáneo de la protección, esto es � . Dicha condición puede ser expresada
matemáticamente por la ecuación 5.9, y deberá ser comprobada durante el diseño de la instalación, para cada uno de los circuitos de distribución [3], [5]:
� [5.9]
Donde:
• Zs: Impedancia de fuga de corriente de defecto a tierra (comprende la impedancia de la fuente, la del conductor activo hasta el punto de defecto y la del conductor de protección, desde el punto de defecto hasta la fuente) [3], [10].
• Zc: Impedancia de fuga del circuito de defecto [3].
Rd = 0
Id =0,8U0
Rfase1 + RCP
Ud = Id ⋅RCPU0 / 2 0,8U0 / 2
Rfase1 = RCP
Id > Ia
Id =U0
Zs
= 0'8U0
Zc
≥ Ia
Algunas autoridades utilizan el valor de 80% para calcular a corriente de cortocircuito [3].19
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Además, para garantizar la protección de las personas, se debe calcular la longitud máxima de cable que ninguna salida habrá de sobrepasar, para un margen de protección Ia dado. Id (en amperios) y Lmáx (en metros) pueden calcularse según la norma francesa NF C 15-105 (también puede consultarse el Cuaderno Técnico 158 de Schneider Electric), mediante las siguientes fórmulas 5.10 y 5.11 [5], [18]:
� [5.10]
� [5.11]
Donde [18]:
• U0: Tensión simple nominal.
• S: Sección del conductor (supuesto que las secciones del conductor de protección y el de fase son iguales), en mm2.
• � : Resistividad del alma del conductor a la temperatura de funcionamiento normal.
• Ia: Corriente necesaria para el corte de suministro en el tiempo especificado [5]:
- Interruptor automático: � (corriente de funcionamiento del relé magnético).
- Fusible: � será la corriente tal que el tiempo total de corte (tiempo de prearco más arco) sea el que figura en la siguiente tabla:
Tabla 5.6: Tiempos de corte en el ECT TN (CEI 60 364 y NF C 15-100, tablas 41A y 48A) .20
- En el caso de que se use un DDR , será la corriente diferencial residual 21
asignada a dicho DDR. Se recuerda que en esquemas TN conectados a tierra puede ser necesaria la utilización de DDRs [3], [10].
Id =0,8U0 ⋅S2ρL
Lmáx =0,8U0 ⋅S2ρIa
ρ
Ia = Im
Ia
Tensión fase-neutro U0 (V)
127 0,8 0,35
230 0,4 0,20
400 0,2 0,05
> 400 0,1 0,02
Tiempo de corte (s), �UL = 50V Tiempo de corte (s), �UL = 25V
Ia
En la norma UNE 20.460-4-41 se indican las condiciones especiales que deben cumplirse para 20
permitir tiempos de interrupción mayores o condiciones especiales de instalación [10].
Bajo en ECT TN-C no podrán utilizarse DDRs, y la conexión del CP al CPN deberá realizarse 21
aguas arriba del DDR en esquemas TN-C-S [10].�37
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Para el caso de que las secciones de los conductores de fase y del conductor de protección no coincidan, las fórmulas anteriores (ecs 5.10 y 5.11) devienen en [5]:
� [5.12]
� [5.13]
Con � .
Si la línea tiene una longitud mayor que Lmáx, según la ecuación 5.12, puede realizarse cualquiera de las siguientes acciones correctoras [5]:
• Disminuir Ia
• Aumentar SCP
• Instalar un DDR
Estrechamente relacionado con la protección de las personas, al igual que se hizo con el esquema TT, el siguiente apartado está dedicado al análisis de la desconexión automática de la alimentación en caso de defecto, ahora para el ECT TN.
5.3.2.2. Desconexión automática de la alimentación en el ECT TN
Al diseñar una instalación de PAT, las características de los dispositivos de protección y las secciones de los conductores se eligen de manera que, si se produce una falta (de impedancia despreciable), entre un conductor de fase y el conductor de protección o una masa, el corte automático se efectúe en un tiempo igual, como máximo, al valor especificado (ver tabla 5.6), y se cumpla la siguiente condición (ec. 5.9) [11]:
� [5.14]
Donde Zs es la impedancia del bucle de defecto. A continuación, veremos a modo de ejemplo el recorrido del bucle de defecto para las diferentes posibles configuraciones del ECT TN:
Id =0,8U0 ⋅Sfase(1+m)ρL
Lmáx =0,8U0 ⋅Sfase(1+m)ρIa
m =SfaseSCP
Zs ⋅ Ia ≤U0
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Fig. 5.19: Defecto de aislamiento en una red a) TN-C y b) TN-S [8].
Fig. 5.20: Defecto de aislamiento en una red TN-C-S [8].
En lo que a los tiempos de actuación de los dispositivos de protección se refiere, la norma IEC 60364-4-41 especifica los tiempos de funcionamiento máximos permisibles para redes TN, de la siguiente manera [3]:
• Para los circuitos finales de corriente nominal inferior o igual a 32A, los tiempos de funcionamiento son los que se presentan en la siguiente tabla:
Tabla 5.7: Tiempo de corte máximo en circuitos finales con [3].22 IN < 32A
Tensión de contacto, UC (V)22 Tiempo (s)
0,8
0,4
0,2
0,1
� 230 <Uc ≤ 400
�50 <Uc ≤120
�Uc > 400
�120 <Uc ≤ 230
Para la tensión de contacto Uc, se tomará la tensión nominal fase-tierra.22
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• Para el resto de circuitos, se fija el límite superior del tiempo de actuación en 5s, lo que permite la selectividad entre los dispositivos de protección instalados en los circuitos de distribución de BT.
A continuación se harán algunos comentarios relativos a la protección contra los contactos indirectos mediante DPCC y DDR:
• Protección mediante interruptor automático: La desconexión automática dentro del tiempo máximo permitido siempre queda garantizada , puesto que la unidad de 23
disparo instantáneo de un interruptor automático elimina un cortocircuito a tierra en menos de 0,1s. Por tanto, basta con comprobar que � para asegurar el disparo
dentro del tiempo especificado. En la siguiente figura puede observarse la curva de disparo de un interruptor automático magnetotérmico. La parte de la derecha de la curva corresponde al disparo magnético (instantáneo), mientras que la parte izquierda corresponde al disparo térmico [3].
Fig. 5.21: Curva de disparo C según EN 60898 [14].
• Protección mediante fusibles: El valor de la corriente que garantiza el correcto funcionamiento del fusible puede asegurarse a partir de un gráfico de rendimiento corriente/tiempo como el de la figura 5.22. Para el caso de los fusibles, es recomendable que la inecuación � se cumpla con creces [3].
Id > Ia
Id > Ia
Siempre que se cumpla la ecuación 5.9.23
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Fig. 5.22: Curva de actuación de un fusible bajo el esquema TN [3].
• Protección por medio de DDR para redes TN-S: En los siguientes casos deberán emplearse dispositivos de corriente residual [3]:
- La impedancia de bucle no puede determinarse de forma precisa (longitudes difíciles de calcular, presencia de cuerpos metálicos próximos al cableado…)
- La corriente de defecto Id sea tan baja que no pueda cumplirse la desconexión en el tiempo especificado mediante la utilización de DPCC.
En la práctica, en numerosos países, suelen instalarse DDR en los circuitos finales de la red de distribución de BT para conseguir la desconexión automática de la alimentación [3].
5.3.3. Implementación del esquema TN
A la hora de implementar un esquema TN, deberán cumplirse las siguientes condiciones [3]:
• Un conductor PEN no debe interrumpirse bajo ninguna circunstancia.
• Cuando se utilicen conductores de sección menor o igual a 6mm2 (cobre) o de 10mm2 (aluminio) o cuando el cable sea extraíble, deberá adoptarse el esquema TN-S.
• Las longitudes de cable máximas permitidas aguas abajo de un interruptor automático de protección (o juego de fusibles) deben calcularse en la etapa de diseño (consultar tablas A2-A6 en los anexos).
• El conductor PE debe conectarse a tierra regularmente en la mayor medida posible.
• El conductor PE no debe atravesar conductos ferromagnéticos ni montarse sobre acero (ya que los efectos inductivos y de proximidad pueden aumentar la impedancia efectiva del conductor).
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En la misma línea, a continuación se presentan una serie de prescripciones especiales para la implementación del esquema TN en las redes de distribución [9]:
• La sección del conductor neutro no será inferior a la indicada en tabla A1 (en anexos).
• Además de las puestas a tierra de los neutros señaladas en las instrucciones ITC-BT-06 e ITC-BT-07 del REBT, para las líneas principales y derivaciones serán puestos a tierra igualmente en los extremos de éstas cuando la longitud de las mismas sea superior a 200 metros.
• La resistencia de tierra del neutro no será superior a 5 ohmios en las proximidades de la central generadora o del centro de transformación, así como en los 200 últimos metros de cualquier derivación de la red.
• La resistencia global de tierra, de todas las tomas de tierra del neutro, no será superior a 2 ohmios.
En lo que a la protección contra contactos indirectos se refiere, es necesaria la determinación de la magnitud de las corrientes de cortocircuito. Para ello, podría realizarse un análisis riguroso basado en técnicas de componentes de secuencia de fases, pero la cantidad de cálculos no es justificable. En la práctica, se emplean los siguientes tres métodos , que resultan más sencillos de aplicar y obtienen una precisión 24
aceptable [3]:
• Método de las impedancias: Se basa en la suma, para cada circuito, de todas las impedancias de secuencia directa del bucle de cortocircuito. En la práctica es habitual el empleo de algún software basado en el método de las impedancias y homologado por autoridades nacionales y/o internacionales.
• Método de la composición: Realiza una estimación de la corriente de cortocircuito en el extremo remoto de un bucle, conocido el nivel de corriente de cortocircuito en el extremo cercano del bucle.
• Método convencional: Este método se considera lo suficientemente preciso como para establecer el límite superior de la longitud de los cables. Así, el presente método
Estos métodos sólo son fiables si los cables que forman el bucle de defecto se encuentran 24
cerca (entre sí), y no están separados por materiales ferromagnéticos. De requerirse más información relativa a los métodos de cálculo de las corrientes de cortocircuito, puede consultarse el apartado 6 del capítulo F de la “Guía de diseño de instalaciones eléctricas 2010” de Schneider Electric.
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utiliza la ecuación 5.13 vista anteriormente para determinar la longitud máxima de los cables pertenecientes a cualquier circuito de una instalación TN conectada a tierra. Superada esta longitud, la corriente de cortocircuito sería demasiado débil como para garantizar el disparo de los interruptores automáticos (o fusibles) y, por tanto, la protección contra contactos indirectos [3].
Los niveles mínimos de las corrientes de defecto a tierra son calculados utilizando los valores de longitudes máximas tabulados (obtenidos mediante el método convencional), disponibles en el anexo A1 [3].
Para terminar con el apartado de la implementación del esquema TN, se verán tres casos particulares problemáticos, mencionando las posibles soluciones a adoptar para cada uno de ellos [3]:
• Una o varias partes conductoras expuestas están conectadas a tierra mediante una toma de tierra separada: Debe instalarse un DDR con sensibilidad adaptada a la toma de tierra (consultar apartado 5.2.3).
• Protección en ubicaciones con alto riesgo de incendios: De acuerdo con la norma IEC 60364-482-2.10, en ubicaciones con alto riesgo de incendio el esquema TN-C está prohibido (deberá adoptarse el ECT TN-S). Al igual que se vio para el esquema TT, es muy recomendable la instalación de un DDR con sensibilidad preferente de 300mA.
• Impedancia de bucle corriente de defecto especialmente alta: puede adoptarse cualquiera de las siguientes soluciones:
- Instalar un interruptor automático de disparo magnético de nivel inferior.- Instalar un DDR (ver apartado 5.2.3).- Aumentar la sección de los conductores de protección y/o la sección de los conductores de fase.- Añadir conductores equipotenciales adicionales .25
No permitido para redes TN-C [3].25
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5.4. EL ESQUEMA IT
5.4.1. Introducción
Tal y como se vio en el apartado 5.1.2.3 (ver Fig. 5.23), en el esquema IT el punto neutro del transformador está aislado o conectado a tierra a través de una impedancia Zn de valor elevado (normalmente entre 1 y 2� ), mientras que las masas de los receptores se encuentran puestas a tierra (interconectadas entre ellas y conectadas a la misma 26
toma de tierra RA o en tomas de tierra independientes ). El hecho de conectar la fuente a 27
tierra mediante una impedancia Zn (práctica aconsejada, sobre todo en líneas cortas) es debido a que así se reduce el nivel de sobretensiones (provenientes del lado de alta tensión, cargas estáticas…) respecto de tierra. Sin embargo, la corriente de primer defecto aumenta ligeramente (aunque estará limitada por el valor elevado de la impedancia) [3], [5], [8], [19].
En la práctica, todos los circuitos tendrán una impedancia de fuga a tierra, debido a que ningún aislamiento es perfecto. Así, cada conductor activo representará una impedancia (compuesta por una resistencia y una capacidad) respecto de tierra, denominada 28
impedancia de fuga normal a tierra. Las tomas de tierra (RA y RB) podrán estar interconectadas (lo más frecuente), o ser independientes [3], [8], [19].
Fig. 5.23: Esquema equivalente de una red con neutro aislado o impedante [8].
En las líneas que siguen se verán las principales características del ECT IT, haciendo especial hincapié en la protección de las personas.
kΩ
Se aconseja interconectar todas las masas entre ellas por motivos de CEM [19].26
Dos tomas de tierra se consideran independientes si están separadas más de 8m [8].27
En la impedancia de fuga normal a tierra, la resistencia suele despreciarse frente a la capacidad 28
[8].�44
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5.4.2. Principales características del esquema IT
5.4.2.1. El primer defecto de aislamiento en el esquema IT
Como ya se adelantó en el apartado 5.1.2.3, si se produce un primer defecto de aislamiento fase-masa o fase-tierra, podría continuarse la explotación de la instalación sin cortes de suministro, debido a que la tensión de contacto no es peligrosa (se encuentra por debajo de UL), por estar la corriente de defecto limitada (bien por la impedancia de fuga normal a tierra, en redes IT aisladas (ver Fig. 5.24), o bien por la resistencia de la impedancia Zn, en redes IT impedantes (ver Fig. 5.25)) . Esta 29
característica del ECT IT proporciona una excelente continuidad del suministro, idónea para las instalaciones que requieren alta disponibilidad de energía [1], [5], [8].
Fig. 5.24: Primer defecto de aislamiento en una red IT aislada [10].
Fig. 5.25: Primer defecto de aislamiento en una red IT impedante [10].
No obstante, para continuar la explotación sin peligro resulta imprescindible buscar y eliminar el defecto en el menor posible. Para ello, se instala un controlador permanente de
No obstante, puede resultar necesario limitar la extensión de la instalación para disminuir el 29
efecto capacitivo de los cables con respecto a tierra [7], [9].�45
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aislamiento (CPA) que advierte de la existencia de un primer defecto , buscándolo 30
posteriormente con un localizador de defectos.
En cuanto a los controladores de aislamiento, cabe destacar que han sufrido una espectacular evolución. Los primeros CPA utilizados se basaban en la colocación de tres lámparas entre cada fase y tierra (se vio en el contexto del TFG), de forma que podían detectarse defectos de aislamiento al percibir que alguna de las lámparas no lucía con la misma intensidad que las otras. Sin embargo, a pesar de que era un sistema simple y eficaz, este método no permitía detectar defectos de impedancia, de forma que fuera posible anticiparse a un defecto franco. Por ello, se desarrollaron CPA que medían el aislamiento por inyección de corriente continua, permitiendo realizar un mantenimiento preventivo en las instalaciones, con la única pega de que no permitían detectar los defectos bajo tensión [8].
En la actualidad, dicho inconveniente se soluciona mediante la inyección de señales (de CA) cuadradas de muy baja frecuencia, evitando además ser engañados por las capacidades parásitas de la red. Por añadidura, cabe destacar que los CPA más modernos utilizan técnicas basadas en la demodulación síncrona, permitiendo conocer las componentes resistiva y capacitiva de la corriente de retorno y combinando las ventajas 31
de la inyección de corriente continua y CA de baja frecuencia (ver Fig. 5.26) [8].
Fig. 5.26: CPA y accesorios digitales para monitorizar el aislamiento de la red [20].
Si se ha previsto un controlador permanente de primer defecto para indicar la aparición de un 30
primer defecto de una parte activa a masa o a tierra, éste deberá activar una señal acústica o visual [11].
Dichas componentes pueden conocerse gracias a los avances en tecnología digital. Para ello, el 31
CPA inyecta tensión alterna de baja frecuencia entre la red y tierra, midiendo la corriente de retorno a través de la impedancia de aislamiento de la red y calculando el desfase tensión-corriente [8].
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Una vez detectada la falta de aislamiento, sólo habrá que buscar dónde se ha producido para proceder a su reparación. Para ello, se utilizan localizadores de defecto, unos dispositivos que únicamente son sensibles a la señal inyectada y que pueden ser fijos o portátiles (ver Fig. 5.27) [8]:
Fig. 5.27: Esquema en el que se está realizando la localización del primer defecto con dispositivos fijos y portátiles [8].
5.4.2.2. El segundo defecto de aislamiento en el esquema IT
No obstante, si se presenta un segundo defecto de aislamiento en otra fase (o en el neutro, si estuviera distribuido), sin haberse eliminado el primero, y todas las masas están interconectadas, se produce un cortocircuito (a través del CP), que deberá ser despejado por las protecciones de la instalación. Dichas protecciones serán las mismas que en el ECT TT, para el caso en el que las masas se pongan a una toma de tierra independiente de la toma de tierra del CT (bien por grupos o individualmente) (ver Fig. 5.29), mientras que serán las mismas que en el ECT TN, para el caso en que las masas estén conectadas colectivamente a tierra a través del mismo CP (en este caso generalmente suelen conectarse a la misma toma de tierra del CT, es decir, las tomas de tierra RA y RB suelen estar interconectadas) (ver Fig. 5.30). En este último caso, deberán cumplirse las siguientes condiciones matemáticas [3], [5], [8], [11]:32
Si no es posible utilizar dispositivos de protección contra sobreintensidades de forma que se 32
cumplan las condiciones [5.15] o [5.16], se utilizarán dispositivos de protección de corriente diferencial-residual para cada aparato de utilización o se realizará una conexión equipotencial complementaria según lo dispuesto en la norma UNE 20. 460-4-41 [11].
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• Si el neutro está distribuido (ver Fig. 5.28-a):33
� [5.15]
donde :34
- Zs: impedancia del bucle de defecto constituido por el conductor neutro, el conductor de protección y el de fase. - U0: tensión entre fase y neutro (rms).
• Si el neutro no está distribuido (ver Fig. 5.28-b):
� [5.16]
donde:
- Z’s: impedancia del bucle de defecto constituido por el conductor de fase y el CP.- U: tensión entre fases (rms).
Fig. 5.28: Segundo defecto de aislamiento en una red IT con las masas conectadas a la misma toma de tierra y el neutro a) distribuido y b) no distribuido [10].
Tal y como se ha comentado, en caso de segundo defecto de aislamiento la desconexión automática de la alimentación es obligatoria y debe realizarse en un tiempo máximo fijado por norma, que será el siguiente [3]:
2 ⋅Zs ·Ia ≤U0
2 ⋅Z 's ·Ia ≤U
La NF C 15-100 recomienda no distribuir el neutro en esquemas IT, debido a que las longitudes 33
máximas de cable permitidas son menores si se distribuye [5].
En las ecuaciones 5.15 y 5.16 la impedancia del bucle de cortocircuito se ha multiplicado por 34
dos debido a que el primer y segundo defecto pueden tener lugar en localizaciones opuestas de la instalación [3].
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• Si las masas se ponen a una toma de tierra independiente de la toma de tierra del CT (bien por grupos o individualmente) (ver Fig. 5.29) Empleo de DDR obligatorio 35
Tiempos de corte iguales a los del ECT TT � consultar apartado 5.2.2.2.
Fig. 5.29: Aplicación de DDR cuando las partes conductoras activas están conectadas a tierra individualmente o por grupos en un esquema IT [3].36
• Si las masas están conectadas colectivamente a tierra a través del mismo CP (generalmente suelen conectarse a la misma toma de tierra del CT, esto es, con las tomas de tierra RA y RB interconectadas) (ver Fig. 5.30) Empleo de DPCC Tiempos de corte iguales a los del ECT TN � consultar apartado 5.3.2.2 y tabla A12.
Fig. 5.30: Disparo del interruptor automático por doble defecto cuando las partes conductoras activas están conectadas a un CP común [3].
→ →
→
→ →
→
En este caso, si los dos defectos se producen en tomas de tierra separadas, la corriente de 35
defecto queda limitada por las resistencias de PAT y se requiere de una mayor sensibilidad para disparar las protecciones [3].
Nota: la sensibilidad del DDR no debe de ser excesiva, ya que éste no deberá de disparar para el primer defecto de aislamiento [3].
Las flechas negras de la figura (situadas encima de la toma de tierra Rn) representan un 36
limitador de sobretensión, que se instala para proteger redes aisladas de tierra de las elevaciones de tensión provenientes del lado de MT [6].
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Si las condiciones de disparo no son satisfactorias (debido, por ejemplo a una longitud de conductores excesiva), puede recurrirse a cualquiera de las siguientes soluciones [8]:
• Disminuir el valor Ia de los interruptores automáticos.
• Aumentar la sección del conductor CP.
• Aumentar sección de los conductores activos (solución preferible ).37
• Utilizar DDR en las derivaciones de gran longitud (solución sencilla, sin cálculos).
Para terminar el apartado, cabe remarcar que a modo de repaso, puede consultarse la tabla A11 de los anexos, donde se recogen las fórmulas principales de las magnitudes Id, Ud y Lmáx para los diferentes ECT.
5.4.3. Implementación y ventajas del esquema IT
En cuanto a la implementación del ECT IT, cabe destacar que comparte numerosos aspectos con los esquemas TT y TN. De hecho, se recomienda instalar DDRs de alta sensibilidad en los mismos casos que vimos en el análisis del TT (apartado 5.2.3). Así mismo, se deben tomar las precauciones comentadas en ese mismo apartado en caso de que exista alto riesgo de incendio, mientras que se consultará el apartado 5.3.3 (página 48) para el caso en que la impedancia del bucle de corriente de defecto resulte especialmente elevada.
La única diferencia respecto a los otros dos esquemas reside en el cálculo de las longitudes máximas de conductor permitidas y en el hecho de que ahora es necesaria la instalación de un CPA (para una posterior detección del primer defecto de aislamiento automática o manual). La elección del controlador de aislamiento depende de criterios técnicos y económicos que escapan al alcance del presente trabajo, mientras que la longitud máxima de los conductores bajo una red IT puede ser determinado por el método convencional (explicado en el apartado 5.3.3) y está tabulada en los anexos (tablas A3-A6, válidas para el ECT IT aplicando el factor corrector de la tabla 5.8) [3], [8].
Para más información consultar el CT-178 de Schneider Electric.37
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Tabla 5.8: Factor de corrección a aplicar a las tablas A3-A6 [3].
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Tras comentar la implementación del ECT IT, se describirán sus principales ventajas y límites de utilización para terminar el apartado. Como ya se ha expuesto anteriormente, la principal ventaja de este esquema es la continuidad de servicio que ofrece. De hecho, según datos estadísticos, la disponibilidad media de la energía es 91 veces mayor en una red IT que en una TT o TN. Además, también ofrece ventajas adicionales, como son la gran seguridad que aporta en instalaciones con alto riesgo de incendio y en los circuitos de mando y control de máquina herramienta [8].
La primera ventaja se debe a que el IT es el único esquema que supervisa el aislamiento del conductor neutro. Así, se evitan problemas como que un ECT TN-S se convierta inadvertida y peligrosamente en un TN-C debido a un defecto neutro-CP, minimizando drásticamente los riesgos de incendio [3], [8].
Las ventajas relativas al control de máquina-herramienta están estrechamente relacionadas con la seguridad de las personas. Aunque se vio que los tres ECT eran equivalentes en cuanto a la protección de las personas, dicha afirmación sólo tenía en cuenta la seguridad eléctrica, y en aplicaciones como la M-H debe tenerse muy presente la seguridad mecánica. Como el ECT IT es capaz de prevenir el fallo, puede prevenirse el fallo eléctrico y mecánico [8].
Sin embargo, todas estas ventajas pueden desvanecerse si no se tienen en cuenta sus límites de utilización. Por ello, cabe recordar que siempre han de tenerse presentes las características particulares de cada instalación en la fase de diseño. Los límites y precauciones en el empleo del ECT IT están relacionados con los receptores, las características físicas de la red y las redes con alimentación de emergencia. Así, no es recomendable la utilización del ECT IT en casos con grandes acoplamientos capacitivos a tierra (provocan disparos intempestivos de las protecciones); cargas con pequeña resistencia de aislamiento, como hornos de inducción y soldadura con arco (el CPA se queda permanentemente en alarma); ambientes húmedos y redes extensas y/o con largas derivaciones. Por añadidura, debe prestarse especial precaución a la hora de colocar el CPA en redes con alimentación de emergencia, debido a que la supervisión podría ser sólo parcial al realizarse la conmutación de fuente [8].
En la práctica, en todos los casos en los que hay condiciones especiales de utilización, la solución más adecuada es limitar el uso del esquema IT únicamente a las redes que alimentan equipos que obligan a una gran disponibilidad de la energía [8].
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6. DESCRIPCIÓN DE LA SOLUCIÓN
Como ya se adelantó en el apartado 5.1.2.3, la elección del ECT más adecuado para cada caso se realiza atendiendo a las características técnicas y económicas de cada instalación, cumpliendo siempre con la normativa aplicable. Para ello, en la presente sección se abordará la elección del ECT (o conjunto de ECTs) más adecuado para cada instalación eléctrica, en función de los criterios expuestos en el apartado 6.1 [3], [6], [5].
6.1. ELECCIÓN DEL ECT
6.1.1. Normativa
En primer lugar, se debe comprobar si la elección del ECT viene recomendada o impuesta por norma (decretos, reglamentos de ministerios…). Para el caso de España, el REBT prescribe la utilización del ECT TT (y del IT en algunos casos) para redes de distribución pública, mientras que se permite la elección del ECT más adecuado para instalaciones de BT, a partir de un CT de abonado [5], [6].
6.1.2. Protección de las personas
En cuanto a la protección de las personas, los tres ECT vistos son equivalentes si se siguen al pie de la letra todas las normas de instalación y funcionamiento. Por tanto, este criterio no se tiene en cuenta a la hora de elegir el ECT más adecuado para un caso concreto, centrando los esfuerzos para la protección de personas, animales y bienes en el correcto dimensionamiento de las secciones de los conductores y de las protecciones. Cabe recordar que este aspecto vital de la seguridad se ha analizado independientemente para cada ECT en las páginas anteriores [5].
6.1.3. Riesgo de incendio
Como ya se dijo en el apartado 5.3.3, de acuerdo con la norma IEC 60364-482-2.10, en ubicaciones con alto riesgo de incendio el esquema TN-C está prohibido . Se recomienda 38
el empleo de un esquema IT (con servicio de mantenimiento y DDR ) o un TT [3].39
No puede instalarse un DDR si las funciones de CP y N son conjuntan (PEN) [5].38
Sensibilidad preferente de 300mA [5].39
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6.1.4. Continuidad de servicio necesaria
La continuidad de servicio requerida por la aplicación es un aspecto importante a la hora de elegir el ECT. Esto se debe fundamentalmente a los riesgos de no disponibilidad de energía, que conllevan importantes pérdidas económicas (debidas a la interrupción de la explotación industrial) y posibles riesgos para la seguridad de las personas. Procesos químicos continuos, quirófanos, iluminación de la pista de aterrizaje de un aeropuerto… son claros ejemplos de aplicaciones que precisan de una alta disponibilidad de energía, pudiendo tornarse catastrófico el hecho de producirse un corte de suministro (incluso durante un breve intervalo de tiempo). Por tanto, este aspecto será uno de los primeros a tener en cuenta a la hora de diseñar la instalación de PAT [5], [8].
Como ya se ha visto en el apartado dedicado al ECT IT, éste resulta ser el único esquema que permite un defecto de aislamiento sin que sea necesaria la actuación de las protecciones, por lo que será el rey de la continuidad de servicio . Generalmente, de no 40
ser necesaria la instalación de una red IT, se optará por un esquema TT, siendo el TN el que pero continuidad otorga [5].
Así pues, en función de la continuidad de servicio requerida y si el servicio es atendido o no, se recomienda optar por los siguientes esquemas [5]:
• Continuidad requerida y servicio atendido: optar por IT.
• Continuidad requerida y servicio no atendido: preferir TT.
• Continuidad no obligatoria y servicio de mantenimiento competente: preferir TN-S.
• Continuidad no obligatoria y sin servicio de mantenimiento: preferir TT.
En caso de que haya condiciones especiales de utilización, la solución más adecuada es limitar 40
el uso del esquema IT únicamente a las redes que alimentan equipos que obligan a una gran disponibilidad de la energía [8].
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6.1.5. Instalación
En la siguiente tabla se realiza una comparativa de los ECT más adecuados, posibles y desaconsejados, para unos determinados tipos de redes y de cargas.
Tabla 6.1: Influencia de las redes y de las cargas en la selección de los ECT [3], [21].
Instalación: Particularidades de los circuitosECT
Recomendado Posible No recomend.
Tipo de red
Red aérea exterior TT TN IT
Redes con alta corriente de fuga (>500mA) TN IT, TT -
Zonas perturbadas (tormentas) TN TT IT
Generador auxiliar de emergencia IT TT TN
Red muy extensa con buenas tomas de tierra en las masas (10Ω máx) - TT, TN, IT -
Red muy extensa con malas tomas de tierra en las masas (> 30Ω) TN TT, TN-S IT, TN-C
Tipo de cargas
Cargas sensibles a altas corrientes de defecto (motores…) IT TT TN
Cargas con bajo nivel de aislamiento TN TT IT
Numerosas cargas monofásicas TT, TN-S - IT, TN-C
Cargas con riesgo (montacargas, grúas, cintas transportadoras, etc) TN TT IT
Numerosos elementos auxiliares (Máquina-herramienta) TN-S TN-C, IT TT
Otras instalaciones
Locales con riesgo de incendio IT TT, TN-S TN-C
Trafo Y-Y TT IT sin neutro IT con N, TN
Equipos electrónicos (PC, PLC…) TN-S TT TN-C
Redes de control y supervisión de maquinaria, sensores y actuadores de PLCs
IT TN-S, TT -
Instalaciones con continuidad de circuitos de tierra inestable TT TN-S TN-C, IT
Instalac. sometida a cambios frecuentes TT - TN, IT
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6.1.6. Compatibilidad electromagnética
Las necesidades del mundo actual cada vez implican un mayor uso de equipos electrónicos de todo tipo, equipos cuyo correcto funcionamiento puede ser comprometido por una mala instalación de PAT.
Para realizar una buena elección del método de PAT a emplear, en este punto se compararán los 3 ECT en cuanto a su funcionamiento ante diversos fenómenos problemáticos relacionados con la CEM [1]:41
• Armónicos: Se debe evitar el esquema TN-C (y también el TN-C-S), ya que los armónicos múltiplos de 3 hacen que el PEN no pueda ser utilizado como referencia de los sistemas electrónicos comunicantes (SEC).
• Corrientes de defecto: El mejor ECT para este caso es el TT con PE distribuido en toda la instalación (pequeña Id y misma referencia de potencial para los SEC). Algunos especialistas prescriben la realización de un circuito de masa de baja corriente separado del circuito de tierra para los esquemas TN e IT, ya que las masas de los equipos pueden transformarse en antenas emisoras de radiación EM debido a la circulación de las corrientes de retorno.
• Sobretensiones de rayo y maniobra: Los esquemas TT y TN son generalmente mejores que el IT frente a rayos, mientras que los 3 esquemas resultan equivalentes frente a sobretensiones de modo diferencial.
• Perturbaciones de alta frecuencia: Todos los ECT resultan equivalentes. Las medidas a tomar para reducir dichas perturbaciones (utilizar el efecto de jaula de Faraday en edificios, desconectar la red de masas de la red de tierra(PE)…) escapan al alcance del presente trabajo.
6.1.7. Mantenimiento
En lo que a la mantenibilidad de la instalación respecta, cabe destacar que la localización del defecto es rápida en el ECT TN (acción del DPCC), aunque el tiempo de reparación suele ser elevado. En el ECT IT, la localización del primer defecto suele ser más difícil, pero la reparación es más barata y rápida. En cuanto al TT, cabe remarcar que resulta una buena elección [1].
Para una mayor información relacionada con la CEM, pueden consultarse los Cuadernos 41
Técnicos 149, 141, 177 y 187 de Schneider Electric [1].�55
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6.1.8. Fiabilidad
El esquema menos fiable es el TN-C, debido a que las corrientes armónicas pueden dañar el conductor PEN, que no está protegido. En la misma línea, la fiabilidad del ECT TN-S puede verse comprometida por varios motivos (como los efectos de los esfuerzos electrodinámicos…), aunque su fiabilidad es buena en general [1].
Todavía más fiables son los esquemas IT (siempre que la localización y eliminación del primer defecto sea rápida) y el TT (que puede verse afectado por faltas en el trafo MT/BT, aunque esto raramente ocurre) [1].
6.1.9. Costes
La instalación del TN-S en principio es la más barata, pero no hay que olvidar el coste de mantenimiento y de reparación. La instalación de IT es un poco más cara, ya que implica disponer de un controlador de aislamiento y de un electricista. Por último, cabe destacar que la instalación del TT suele ser todavía más cara (debido al coste de los DDR selectivos), aunque la localización y reparación de los defectos suele simplificarse bastante [1].
En cuanto a la complejidad de los cálculos del sistema de PAT, el estudio del esquema TT es el más sencillo, mientras que el TN-S y el IT requieren un esfuerzo similar [1].
6.1.10. Elección del ECT. Conclusiones
Como se ha visto en este apartado, la selección del ECT no depende de criterios de seguridad de las personas (pues los tres esquemas resultan equivalentes si se aplica la normativa correspondiente), por lo que los criterios para la selección del ECT más adecuado dependen de los requisitos normativos, la continuidad de servicio necesaria, las condiciones de funcionamiento, los tipos de redes y de cargas… [3].
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Para comparar los distintos ECT de una forma más visual y compacta, se adjunta la tabla 6.2 , donde “+” significa bueno y “-“ desaconsejado:42
Tabla 6.2: Comparación de los ECT [1].43
Por tanto, a la hora de diseñar una nueva instalación, conviene seguir los siguientes pasos [3]:
1. Consultar la normativa al respecto, pues la elección del ECT viene impuesta por norma en algunos casos (p.ej, hospitales, escuelas, marina, minas…). En otros casos, hay ECT que están prohibidos, por ejemplo, el esquema TN-C en locales con riesgo de explosión [1].
2. Si es posible la elección del ECT, el propietario deberá elegir el esquema más adecuado para su instalación, consultando al proyectista de la red. Para ello, resulta fundamental conocer si el propietario dispone de un CT MT/BT o de una fuente de energía privada.
Para una comparación más profunda, puede consultarse la tabla A7 en los anexos.42
No se han comparado los costes pues generalmente son equivalentes en un periodo de 10-20 43
años. Además, resulta complicado evaluar los costes para un caso general, pues habría que estudiar para cada caso si el sobrecoste del ECT IT compensa las pérdidas económicas que provocaría una parada de explotación imprevista al producirse un primer defecto de aislamiento bajo otro esquema [1], [8].
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3. A continuación, se estudiarán las necesidades de explotación (nivel necesario de continuidad de servicio…) y las condiciones de funcionamiento (mantenimiento…).
4. Por último, se comprobará que el ECT a elegir se ajuste a las características específicas de la red y de las cargas de la instalación (ver tabla 6.1).
Para finalizar el apartado de conclusiones, se recuerda que es posible (y recomendable) la coexistencia de diferentes ECT en una misma instalación, tanto en serie (ver Fig. 5.10) como en antena (ver Fig. 6.1) [1], [5].44
Fig. 6.1: Ejemplo de coexistencia de diferentes ECT en una instalación BT [1].
Es preferible la disposición en antena (rastrillo) frente a la disposición en serie, ya que en la 44
primera se distinguen mejor los servicios preferentes de los no preferentes [5].�58
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7. METODOLOGÍA (VERIFICACIÓN MEDIANTE SIMULACIÓN CON MATLAB/
SIMULINK)
En este apartado se corroborará lo expuesto en el estudio teórico (apartados 5 y 6) mediante la resolución de dos ejemplos prácticos concretos. Además, se comentará la metodología seguida en las simulaciones asistidas por ordenador (mediante el software MATLAB/Simulink) para la resolución de dichos ejemplos.
Los dos ejemplos prácticos propuestos son un esquema TT y un TN-S, como veremos a continuación. Como el objetivo de las simulaciones es analizar la influencia de la metodología de puesta a tierra en instalaciones de BT, los modelos creados en Simulink se han simplificado todo lo posible en los aspectos que no tienen relación con la PAT, adoptando las siguientes hipótesis en ambos casos:
• Toda la parte del Sistema eléctrico de potencia no correspondiente a la instalación se ha modelizado mediante una fuente trifásica, y el trafo MT/BT se ha supuesto ideal.
• La instalación dispone de una única carga trifásica de 10kW de potencia, con factor de potencia 0’8 (inductivo), conectada en triángulo.
• Se modeliza un defecto de aislamiento como un defecto monofásico (en la fase A) franco a tierra, uniendo la línea de la fase A a tierra mediante un conductor de impedancia nula y un interruptor ideal temporizado.
• La simulación se ha realizado para 15 ciclos [0-0,3]s, cerrándose el interruptor (falta) entre los ciclos 3 y 12 [0,06-0,24]s y empleando el método de resolución ode23s.
• Los conductores de fase se han supuesto de 25mm2 de sección, mientras que el PE del modelo TN-S se ha supuesto de 16mm2 de sección, acorde a la tabla 5.2. La longitud de todos los conductores es de 100m y los parámetros de los mismos se han tomado del catálogo del fabricante Prysmian (cables Sintenax Valio).
• La resistencia de puesta a tierra de la alimentación y de la carga se han modelizado mediante dos resistencias ideales de igual valor (que se ha ido modificando en las distintas simulaciones para analizar la influencia del terreno).
La creación de los modelos se ha realizado sencillamente con Simulink, arrastrando los bloques correspondientes de la librería al espacio de trabajo y configurándolos (ver Fig. 7.1).
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Fig. 7.1: Creación de los modelos con Simulink.
En las siguientes líneas se analizarán las simulaciones realizadas para el modelo del ECT TT y TN-S:
7.1. SIMULACIÓN DEL ECT TT
El modelo creado para el esquema TT puede observarse en la figura 7.2:
Fig. 7.2: Modelo del ECT TT en Simulink.�60
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Tal y como puede apreciarse en la figura, se realiza la medida de la corriente de defecto (a través del multímetro) y de la tensión de contacto (mediante el medidor de tensión), obteniendo una gráfica con las dos señales para cada simulación. Los resultados gráficos de todas las simulaciones pueden ser consultados en el anexo C.
7.2. SIMULACIÓN DEL ECT TN-S
La figura 7.3 muestra el modelo creado para el TN-S, donde, por simplicidad, se ha prescindido del conductor neutro, conectando la carga trifásica en triángulo. Además, se ha instalado una toma de tierra en la instalación receptora, con el fin de garantizar la equipotencialidad del conductor PE.
Fig. 7.3: Modelo del ECT TN-S en Simulink.
Para el caso del TN-S, las medidas son las mismas que para el TT, con la salvedad de que ahora se representan las corrientes de defecto a través del PE y a través de la tierra, por lo que se tendrán tres señales para cada simulación. Los resultados gráficos de todas las simulaciones pueden ser consultados en el anexo C.
En las siguientes líneas se realiza la comparación de los resultados de las simulaciones para ambos casos, corroborando las afirmaciones vistas en el apartado 5.
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7.3. RESULTADOS DE LAS SIMULACIONES
En primer lugar se comprueba como en en ECT TT la corriente de defecto es mucho menor que en el esquema TN, por estar limitada sobre todo por la resistencia de las tomas de tierra. Para ello, se simulan ambos esquemas con el mismo valor de la resistencia de puesta a tierra (10Ω), obteniendo los siguientes resultados (valores pico):
Tabla 7.1: Id para los ambos esquemas con 10Ω de resistencia a tierra.
A continuación, se analiza la influencia de la resistividad del terreno en el esquema TT, tomando como referencia los valores de resistividad de la tabla A10 y calculando el valor de la resistencia de PAT según la tabla A8. Se ha supuesto una pica vertical de 2m de longitud .45
Tabla 7.2: Influencia del terreno. Id para redes TT con diferentes valores de resistencia de PAT.
En la tabla anterior solo se presentan los resultados para el TT, debido a que, como cabe esperar, en el ECT TN la corriente que circula a través de la tierra es despreciable frente a la que circula por el PE (ya que la impedancia del PE es mucho menor que la de tierra) (ver resultado C6) y la influencia del terreno es mínima para este esquema.
En lo que a la tensión de contacto respecta, cabe destacar que, aunque ésta sea menor que la nominal (durante la falta), es peligrosa por ser superior a UL. En la siguiente tabla se presentan los valores de Uc para los ECTs TT y TN-S (valores pico):
Tabla 7.3: Valores de Uc para los dos ECT analizados.
Id en TT Id en TN-S (a través del PE)
16A 1380A
Terreno Resistividad (Ω·m) Resistencia PAT (Ω) Id en TT (valores pico)
Fértil y húmedo 50 25 6,5A
Poco fértil 500 250 0,65A
Pedregoso 3000 1500 0,11A
Uc en TT Uc en TN-S
160V 101V
El hecho de suponer que la PAT se realiza mediante una única pica vertical de 2m de longitud 45
tiene únicamente fines didácticos. En la práctica conviene realizar una PAT que presente bajos valores de resistencia y que no exceda en ningún caso los valores de la tabla 5.3.
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Para terminar el apartado de las simulaciones, se analizará la influencia de la longitud de los conductores en el esquema TN-S. Para ello, se han supuesto los siguientes valores:
• Buena resistencia de PAT (10Ω).
• Longitud de conductores: 1km.
• Resto de variables: igual que en todos los casos anteriores (ver apartado 7).
Los resultados obtenidos pueden consultarse en la figura C7 de los anexos, observando que la corriente de defecto pasa de ser de 1.380A (ver tabla 7.1) a 130A (vp). Esta disminución de Id es un factor muy importante a tener en cuenta, debido a que condiciona la elección de los dispositivos de protección. Para el ejemplo propuesto, si se hubiera instalado un interruptor magnetotérmico con curva de disparo D, por ejemplo, la intensidad mínima necesaria para el disparo instantáneo sería 10·In, esto es, 294A. Como Id (130A) es inferior a 294A, la protección no quedaría asegurada y sería necesario tomar medidas como la instalación de DDR, aumentar las secciones… (ver apartado 5.3.3).
Por añadidura, cabe destacar que el hecho de que la corriente de defecto disminuya con el aumento de la longitud de los conductores puede generar problemas en la explotación del ECT TT (ya que Id es, por lo general, mucho menor que en el TN, por lo que puede resultar imposible asegurar el disparo de las protecciones), por lo que el ECT TN puede resultar apropiado para redes de gran longitud . Otra opción muy 46
recomendable es limitar la longitud de los conductores, cuyos valores máximos vienen dados por la ecuación 5.13. Así, para el caso simulado, la longitud máxima sería la siguiente [5], [7]:
� [7.1] Lmáx =0,8U0 ⋅Sfase(1+m)ρIa
= 0,8 ⋅230 ⋅25
1+ 2516
⎛⎝⎜
⎞⎠⎟ ⋅0,02063⋅294
= 295,95m
También resulta apropiado en circuitos con gran corriente de fuga a tierra [7].46
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8. DESCRIPCIÓN DE TAREAS. GANTT
En lo que a la planificación del proyecto respecta, cabe destacar que se ha dividido en tres fases: Documentación, redacción y simulaciones. Así, las tareas necesarias para llevar a cabo el proyecto quedan enunciadas en la siguiente tabla:
Tabla 8.1: Descripción de las tareas del proyecto.
A continuación se adjunta un diagrama de Gantt, donde las tareas anteriores quedan representadas gráficamente de una forma más intuitiva.
Fig. 8.1: Diagrama de Gantt.
Código Nombre de tarea Duración (días) Comienzo
T1.1 Lectura de cuadernos técnicos de Schneider 161 08/09/14
T1.2 Lectura de “Simulación de sistemas eléctricos” 65 20/01/15
T2.1 Redactar estudio teórico 56 21/04/15
T3.1 Crear modelos en MATLAB 4 08/07/15
T3.2 Realizar simulaciones 3 14/07/15
T3.3 Redactar apartado simulaciones 6 17/07/15
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9. PRESUPUESTO (DESCARGO DE GASTOS)
En la tabla 9.1 se presenta el descargo de gastos del presente TFG. Los diferentes gastos que componen el coste total del proyecto han sido agrupados por partidas, tal y como puede observarse a continuación:
Tabla 9.1: Descargo de gastos del TFG
Con el propósito de representar los gastos de una forma más visual e intuitiva, se adjuntan dos gráficos circulares (Figs. 9.1 y 9.2). El primero de ellos engloba todas las partidas que suponen gastos en el proyecto, mientras que el segundo se centra en los costes para el alumno, permitiendo apreciar mejor la magnitud relativa de las partidas más pequeñas del descargo de gastos.
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Fig 9.1: Partidas del descargo de gastos del presente proyecto.
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Fig 9.2: Costes del TFG para el alumno.
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10. CONCLUSIONES
La sociedad actual demanda más bienes y servicios que nunca, y en las civilizaciones más avanzadas (y no tan avanzadas) la energía eléctrica se ha convertido en un bien básico para la población, equiparable al agua o a la comida. Así, las necesidades de la población actual mundial pasan por la utilización de la energía eléctrica, energía que cada vez es más limpia y segura gracias al constante esfuerzo de incontables organizaciones y trabajadores. Cuando se habla de seguridad en general, se tienen en cuenta la protección de las personas y animales, de los bienes y los riesgos de incendio y explosión de equipos e instalaciones.
En el presente trabajo se ha hecho especial hincapié en la seguridad de las personas, analizando en profundidad la influencia de la metodología de puesta a tierra cuando se produce un contacto indirecto debido a un defecto de aislamiento. Además, también se ha analizado la influencia del sistema de PAT en lo que a otros aspectos respecta: continuidad de servicio, tipos de redes y de cargas, compatibilidad electromagnética, fiabilidad, mantenimiento, costes… proporcionando al lector una sólida base sobre la elección de la mejor metodología de PAT para un caso concreto. De hecho, en el apartado 6.1.10 se detalla el proceso a seguir a la hora de diseñar una nueva instalación de PAT: en primer lugar deben analizarse los requisitos normativos, consultando siempre al proyectista de la red, para luego estudiar las necesidades de explotación y la adecuación de la instalación al terreno y a los los tipos de cargas existentes.
Por último y para completar el núcleo del trabajo, se han realizado una serie de ensayos que corroboran el estudio teórico, mediante la creación y simulación de dos modelos (uno correspondiente a un ECT TT y el otro a un TN-S) con el software Simulink. Por añadidura, cabe destacar que los aspectos analizados han sido la magnitud de las corrientes de defecto y de las tensiones de contacto en ambos casos, la influencia de la resistividad del terreno en el ECT TT y la influencia de la longitud de los conductores en una instalación bajo el esquema TN-S, permitiendo realizar una pequeña comparativa del comportamiento de ambos esquemas y adjuntando la representación gráfica de los resultados en los anexos del documento.
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11. FUENTES DE INFORMACIÓN
[1] Schneider Electric. (16/06/2015). CT-173: Los esquemas de las conexiones a tierra en el mundo y su evolución. Available: http://download.schneider-electric.com/files?p_File_Id=333433543&p_File_Name=CT173-v3.pdf
[2] Ministerio de industria, energía y turismo. (09/07/2015). Reglamento Electrotécnico de Baja Tensión, ITC-01. Available: http://www.f2i2.net/Documentos/LSI/rbt/ITC_BT_01.pdf
[3] Schneider Electric. (16/06/2015). Guía de diseño de instalaciones eléctricas 2010 según normas internacionales IEC. Available: http://www.schneider-electric.com.co/documents/News/automation-control/Guia_de_%20diseno_de_instalaciones_electricas_2010.pdf
[4] Ministerio de industria, energía y turismo. (16/06/2015). Reglamento Electrotécnico de Baja Tensión, ITC-18. Available: http://www.f2i2.net/Documentos/LSI/rbt/ITC_BT_18.pdf
[5] Schneider Electric. (16/06/2015). CT-172: Los esquemas de conexión a tierra en BT (regímenes de neutro). Available: http://download.schneider-electric.com/files?p_File_Id=682511297&p_File_Name=CT172-V3.pdf
[6] Ministerio de industria, energía y turismo. (18/06/2015). Reglamento Electrotécnico de Baja Tensión, ITC-08. Available: http://www.f2i2.net/Documentos/LSI/rbt/ITC_BT_08.pdf
[7] J. M. A. A. J. Conejo, F. Milano, N.Alguacil, J.L. Polo, Instalaciones Eléctricas, 2007.
[8] Schneider Electric. (16/06/2015). CT-178: El esquema IT (neutro aislado) de los esquemas de conexión a tierra BT. Available: http://download.schneider-electric.com/files?p_File_Id=682511611&p_File_Name=CT178.pdf
[9] Ministerio de industria, energía y turismo. (18/06/2015). Guía de aplicación de la ITC-08 del REBT. Available: http://www.f2i2.net/Documentos/LSI/rbt/guias/guia_bt_08_oct05R1.pdf
[10] Ministerio de industria, energía y turismo. (16/06/2015). Reglamento Electrotécnico de Baja Tensión, ITC-24. Available: http://www.f2i2.net/Documentos/LSI/rbt/ITC_BT_24.pdf
[11] Ministerio de industria, energía y turismo. (16/06/2015). Guía de aplicación de la ITC-24 del REBT. Available: http://www.f2i2.net/Documentos/LSI/rbt/guias/guia_bt_24_oct05R1.pdf
[12] J. T. Montecelos, El interruptor diferencial,. 2009.
[13] Schneider Electric. (22/06/2015). CT-114: Los dispositivos diferenciales de corriente residual en BT. Available: http://download.schneider-electric.com/files?p_File_Id=682507568&p_File_Name=CT114.pdf
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[14] General Electric. (2010, 24/06/2015). Guía Técnica: Aparamenta Modular. Available: http://www.gepowercontrols.com/es/resources/literature_library/catalogs/technical/downloads/A_Modular_Dev_ES_V1010.pdf
[15] Hager. (26/06/2015). Dossier sobre tipos de selectividad. Available: http:// www.hager.es/files/download/0/5681_1/0/selectividad_dossier.pdf
[16] Á. L. Marqués, Instalaciones eléctricas de baja tensión comerciales e industriales: Paraninfo, 2009.
[17] ABB. (26/06/2015). Selectividad de los interruptores diferenciales. Available: http:// www.abb.es/product/ap/seitp329/68fc4849f4e9bcddc125707d0049d962.aspx
[18] Union Technique de L'Electricite et de la communication (UTE). (2003, 27/06/2015). Dètermination des sections de conducteurs et choix des dispositifs de protection. Available: http://djelectro71.e-monsite.com/medias/files/ute-15-105-1.pdf
[19] Schneider Electric. (01/07/2015). CT-187: Coexistencia de corrientes de alta y baja intensidad. Available: http://download.schneider-electric.com/files?p_File_Id=682507472&p_File_Name=CT187.pdf
[20] Schneider Electric. (12/07/2015). Productos: Controlador Permanente de Aislamiento. Available: http://www.schneider-electric.com.pe/peru/es/productos-servicios/distribucion-electrica/noticias/viewer-noticias.page?c_filepath=/templatedata/Content/News/data/es/shared/electrical_distribution/general_information/2009/08/20090807_continuidad_de_servicio_electrico_en_baja_tension_sistema_vigilohm_con.xml
[21] J. R. Viloria, Protección y seguridad en las instalaciones eléctricas de baja tensión, 2004.
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ANEXO A: FIGURAS Y TABLAS
Tabla A1: Sección del conductor neutro en función de la sección de los conductores de fase [6].
TABLAS PARA LA IMPLEMENTACIÓN DEL ESQUEMA TN
Tabla A2: Factor de corrección que debe aplicarse a las longitudes indicadas en las tablas A3-A6 [3].
Tabla A3: Longitudes de circuito máximas (en metros) para tamaños diferentes de conductores de cobre y ajustes de corriente de disparo instantáneo para interruptores automáticos de uso general
en esquemas TN de 230/240V con m = 1 [3].
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Tabla A4: Longitudes de circuito máximas (en metros) para diferentes tamaños de conductores de cobre y corrientes nominales para interruptores automáticos de tipo B en un esquema de 230/240V
monofásico o trifásico TN con m = 1 [3].
Tabla A5: Longitudes de circuito máximas (en metros) para diferentes tamaños de conductores de
cobre y corrientes nominales para interruptores automáticos de tipo C en un esquema de 230/240V
monofásico o trifásico TN con m = 1 [3].
Tabla A6: Longitudes de circuito máximas (en metros) para diferentes tamaños de conductores de
cobre y corrientes nominales para interruptores automáticos de tipo D en un esquema de 230/240V
monofásico o trifásico TN con m = 1 [3].
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ETabla A7: Comparación de los diferentes ECT [3]
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RESISTIVIDAD DEL TERRENO
Tabla A8: Fórmulas para estimar la resistencia de tierra en función de la resistividad del terreno y las características del electrodo [4].
Fig. A1: Variación de la resistividad del terreno en función de a) presencia de sales disueltas, b) grado de humedad, y c) temperatura [7].
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Tabla A9: Valores orientativos de la resistividad en función del terreno [4].�73
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Tabla A10: Valores medios aproximados de la resistividad en función del terreno [4].
Tabla A11: Magnitudes características de los ECT [5].
Tabla A12: Tiempos de corte máximos especificados en esquema IT (según CEI 60364 y NF C 15-100, tablas 41B y 48A) [5].
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ANEXO B: NORMATIVA APLICABLE
• REAL DECRETO 842/2002, de 2 de agosto, por el que se aprueba el Reglamento electrotécnico para baja tensión y sus instrucciones técnicas complementarias ITC-BT 01 a 51.
• IEC (International Electrotechnical Commission, www.iec.ch).
• CENELEC (European Committee for Electrotechnical Standardization, www.cenelec.org).
• AENOR (Asociación española de normalización y certificación, www.aenor.es).
• IEEE (Institute of Electric and Electronic Engineers, www.ieee.org).
• NFPA (National Fire Protection Association, www.nfpa.org).
Normas citadas en el documento:
• NFC 15 100
• NFC 15-105
• CEI 60 364
• IEC 60947-2
• UNE 20.572-1
• UNE EN 61008 / 61009 y 60947-2
• UNE 20.460-4-41
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ANEXO C: RESULTADOS
C1: Simulación del modelo TT con resistencia de PAT 10Ω:
C2: Simulación del modelo TN-S con resistencia de PAT 10Ω:
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C3: Simulación del modelo TT con resistencia de PAT 25Ω:
C4: Simulación del modelo TT con resistencia de PAT 250Ω:
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C5: Simulación del modelo TT con resistencia de PAT 1500Ω:
C6: Simulación del modelo TN-S con resistencia de PAT 1500Ω:
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C7: Simulación del modelo TN-S con resistencia de PAT 10Ω y 1km de longitud de los conductores :
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