domingo, 13 de noviembre de 2016

Esquemas de Conexión a Tierra (régimen de neutro)


Generalmente, la "Tierra" (para circuitos o sistemas eléctricos) puede asociarse a un punto o plano equipotencial que sirve como una referencia de potencial y puede estar o no al potencial del suelo o terreno.

Cuando decimos "Puesta a Tierra", nos referimos a unos conductores que realizan la conexión eléctrica con el suelo, subsuelo o una masa.

La utilización de la energía eléctrica se inicia a principios de 1900,  Para llegar a los conocimientos y normativas actuales en el tema de puesta a tierra, tuvieron que suceder acontecimientos como:

1720 S Gray y G Wheeler realizaron los primeros estudios sobre resistividad de las rocas.
1746 Watson descubre que el suelo era conductor.
1815 Robert W. Fox descubre el fenómeno de la polarización espontánea.
1879 Primera muerte con energía generada por el hombre a 250 V.
1880 Para transportar la electricidad a varios kilómetros, la tensión continua la aumentan 1,300V (Exposición de Munich).
1883 Carl August Steinheil comprobó que la tierra conduce electricidad en telegrafía por hilo.
1886 Primera instalación de distribución en CA en USA.
1889 En América del norte es la guerra entre la CD (Edison) y la CA (Westinghouse).
1890 Primer electrocutado en la silla eléctrica con CA.
1892 El New york Board of Fire Underwriters (NYBFU) determinó que la práctica de conexiones a tierra era peligrosa y estas se debían retirar antes del 01/01/1892. Se basó en el estudio del profesor Henry Morton.
1901 El National Electrical Code permitió un sistema de corriente alterna con el punto neutro del transformador conectado a tierra.
1904 VDE publicó las primeras recomendaciones sobre sistemas de puesta a tierra en Alemania.
1909 El American Insitute of Electrical Engineers (AIEE) y el NYBFU divulgaron la obligatoriedad de la conexión a tierra para sistemas de 150 V o menos y opcional para los que operaban a más de 250 V fase-tierra.
1915 Schlumberger y Wenner idearon de manera independiente, los arreglos de 4 electrodos para medir la resistividad aparente (ellos introducen este concepto).
1915 Se inventaron los electrodos marca Copperweld.
1918 C. S. peters desarrolló el método de los tres electrodos para medir la resistencia de puesta a tierra.
1924 Se publicó la primera norma para dimensionar sistemas de puesta a tierra según VDE.
1936 Charles A. Cadwell y F. H. neff realizaron con éxito una soldadura mediante una reacción de óxido de cobre y aluminio. Así nación la soldadura exotérmica con la compañía Cadwell.
1954 Se fabrican los primeros interruptores automáticos diferenciales.
1961 Se publicó la primera versión de la norma IEEE 80 "Guide for Safety en AC Substation Grounding".
1962 Se publicó la primera versión de la norma AIEE 81 "Recommended guide for measuring ground resistance and potentials gradients in the earth".
1964 G. F. Tagg desarrolló el método de la regla del 62% para medir resistencia.
1980 EPRI y la universidad de Ohio construyeron modelos a escala para terrenos a dos capas.
2000 Reafirmación de la norma IEEE 80.
2002 Se publicó la norma IEC 60364-5-54 "Selection and erection of electrical equipment-earthing arrangements, protective conductors and protective bondin conductors".
2008 La edición 51 del NEC, guarda relación con la sección 131 de la IEC 60364-1.

El primer esquema que nace es el de neutro aislado, los regímenes de neutro o esquemas de conexión a tierra son el resultado de una larga evolución guiada por la búsqueda de la mejor protección de las personas.

La norma internacional IEC 60364 define claramente los diversos elementos en las conexiones a tierra. Es común encontrar en el sector eléctrico y en diversas publicaciones europeas, algunos términos, como por ejemplo:

Toma de tierra.- Un conductor o grupo de conductores que se encuentran en estrecho contacto con la tierra y proporcionan una conexión a tierra.

Tierra de Protección.- En ingles Protective Earth (PE), evita el riesgo de descarga eléctrica manteniendo las superficies conductoras expuestas de un dispositivo al potencial de tierra, en condiciones normales no circula corriente por este conductor, en caso de falla, la corriente de falla fluye por este conductor con el fin de operar las protecciones y abrir el circuito de alimentación a la falla.

Masa.- Parte conductora accesible: parte conductora de los equipos que se puede tocar y que no se encuentra en tensión, pero que puede estarlo en condiciones de defecto (falla).

Defecto.- En general se refiere a una falla, en temas de puesta a tierra se refiere a una falla a tierra generalmente del tipo franca (cero impedancia de falla).

En un edificio, la conexión de todos sus elementos metálicos y de todas las partes conductoras accesibles de los equipos eléctricos a una toma de tierra impide la aparición de tensiones peligrosamente altas entre dos elementos metálicos cualesquiera accesibles simultáneamente:


La norma internacional IEC 60364 define tres Esquemas de Conexión a Tierra con letras:

TN - La puesta a neutro (TN-C o TN-S)
TT - El neutro a tierra
IT - El neutro aislado

El significado de la letras es el siguiente:

Letra
Significado
Primera letra
Punto neutro del transformador o fuente
I
Aterrizado con una impedancia
T
Directamente aterrizado
Segunda Letra
Conexión de las masas de las cargas
T
Aterrizado
N
Conectado al conductor neutro
Tercera letra (opcional)
Conductor de tierra de protección y neutro
S
Conductores separados, neutro N y tierra de protección PE
C
Conductores combinados, neutro y tierra de protección PEN

Estos tres Esquemas tienen un mismo fin en cuanto a la protección de personas y bienes: el control de los efectos de una falla a tierra. Se consideran equivalentes en cuanto a la seguridad de personas frente a contactos indirectos.

Pero no es necesariamente así para la seguridad de la instalación eléctrica de baja tensión en lo referente a:
  • Continuidad de servicio.
  • Mantenimiento de la instalación.

Riesgos debidos a una falla a tierra (defecto de aislación).

Riesgo de electrocución de las personas. Proteger a una persona de los efectos peligrosos de la corriente eléctrica es prioritario, por lo tanto es el primer riesgo a tener en cuenta. Lo realmente peligroso (por su valor o duración) es la corriente eléctrica que atraviesa el cuerpo humano (especialmente el corazón). La siguiente figura muestra las zonas tiempo/corriente de los efectos de la corriente de CA (15-100 Hz) sobre las personas (IEC 60479-1:


El valor de la impedancia del cuerpo humano no cambia en la práctica, más que en función del entorno (local seco y húmedo y local mojado). Para cada uno de estos casos la norma IEC 60479 ha definido una tensión de seguridad (tensión máxima admisible durante al menos 5 segundos): Tensión límite Convencional (UL).

La norma IEC 60364 precisa que si la tensión de contacto (Uc) tiene el riesgo de sobrepasar la tensión UL, la duración de la aplicación de la tensión de falla debe limitarse mediante la operación de dispositivos de protección:


Riesgo de incendio. Las consecuencias son dramáticas para las personas y los bienes. El calentamiento origina un buen número de incendios, o bien un arco provocado por falla del aislamiento.

Riesgo de no-continuidad del servicio. Se pueden tener las siguientes consecuencias de desconectar automáticamente la parte afectada:
  • Falta de iluminación.
  • Paro de producción.

Contacto Directo.

Es un contacto accidental de una persona con un conductor activo (fase o neutro) o con una masa conductora que normalmente está con tensión.


Cuando el riesgo es importante, la solución sencilla consiste en distribuir la energía a una tensión no peligrosa, es decir a una tensión menor o igual que la tensión de seguridad. Esto por ejemplo se puede aplicar al alambrado de control de un arrancador, donde se use 24 V para el control.

Una medida de protección consiste en aislar las partes activas mediante aislantes, envolventes o barreras.

Una medida complementaria contra contactos directos consiste en utilizar Dispositivos Diferenciales Residuales de alta sensibilidad (<30ma p="">

Contacto Indirecto.

Es el contacto de una persona con masas metálicas accidentalmente puestas bajo tensión. Este contacto accidental es resultado de una falla de aislamiento.


Las medidas de protección contra contactos indirectos se apoyan en tres principios fundamentales:

  • La conexión a tierra de las masas.
  • La equipotencialidad de las masas.
  • La gestión (prevención) del riesgo eléctrico.
Esquema TT (Conductor Neutro Conectado a Tierra)

Un punto de la fuente se conecta directamente a tierra. Todas las partes conductoras accesibles y extrañas se conectan a una toma de tierra independiente de la instalación. Este electrodo puede o no ser eléctricamente independiente del electrodo de la fuente. Ambas zonas de influencia pueden solaparse sin que se vea afectado el funcionamiento de los dispositivos de protección:


En España el 95% de las instalaciones usan este régimen de neutro, incluyendo las instalaciones de alumbrado público.


Ante un fallo de aislamiento, la corriente de defecto (falla) Id queda limitada por las resistencias de tierra (si la conexión a tierra de las masas y la conexión a tierra del neutro no son la misma). Siempre suponiendo que Rd = 0 (falla franca), la corriente de defecto es:


Esta corriente de defecto (falla) produce una tensión de defecto (tensión de falla) en la resistencia de tierra de los receptores (electrodo lado carga):
Ud = Ra x Id, o lo que es lo mismo:


Donde:

Id Corriente de defecto (falla)
Uo Tensión simple (tensión de fase)
Ud Tensión de defecto (falla)
Ra Resistencia a tierra del electrodo lado carga
Rb Resistencia a tierra del electrodo en transformador
DDR Dispositivo Diferencial Residual
UL Tensión límite convencional

Si las resistencias a tierra son bajas y del mismo orden de magnitud (10 ohm), la tensión Ud es aproximadamente Uo/2, siendo peligrosa si es mayor que la tensión UL, por lo tanto es obligatorio prever una desconexión automática de la parte de la instalación afectada por el defecto (falla).
El DDR entra en acción a partir de que: Id ≥ (UL / Ra):


Características principales Esquema TT:

  • En Europa se considera la solución más sencilla y económica de diseñar e instalar. Se usa en instalaciones de baja tensión suministradas por la compañía utilitaria.
  • Debido al bajo valor de las corrientes de defecto (falla), hay una ausencia de mayores esfuerzos térmicos y dinámicos durante un cortocircuito, incrementando la vida útil de conductores y barras.
  • Las protecciones actúan frente al primer fallo de aislación, se requiere la instalación de  un dispositivo diferencial residual (DDR).
  • Los DDR también evitan el riesgo de incendio cuando están regulados a ≤ 500 mA.
  • El seccionamiento del neutro es obligatorio, los interruptores DDR son tetrapolares.
  • Las cargas que durante su funcionamiento normal, provocan grandes corrientes de fuga, requieren medidas especiales (transformador de aislamiento o DDR de aplicación específica) para evitar disparos intempestivos.
  • Según algunos textos no requiere una supervisión continua, está claro que para seleccionar adecuadamente el DDR, se necesitan lecturas de la resistencia a tierra de los electrodos, sabemos que un adecuado mantenimiento del sistema de puesta a tierra logra niveles adecuados de la resistencia a tierra. Una varilla de tierra sin mantenimiento tenderá a aumentar su resistencia a tierra y por consiguiente ante una falla a tierra la corriente será menor (Ley de Ohm, I=V/R), llegando a comprometer la actuación del DDR.

Esquema TN (Conexión de las masas de la carga al Neutro)

La fuente se conecta a tierra de la misma manera que con el Esquema TT descrito anteriormente. En la instalación, todas las partes conductoras accesibles y extrañas se conectan al conductor neutro.
Uno de sus usos de este esquema (en Europa) es en instalaciones temporales con grupos electrógenos (generadores diésel). A continuación se muestran las versiones del Esquema TN.

Esquema TN-C

El conductor de neutro también se utiliza como un conductor de protección y se denomina conductor PEN (neutro y puesta a tierra de protección). Este sistema no está permitido (en Europa) para conductores de sección menor a 10 mm2 (6 AWG) en cobre, ni para equipos portátiles.


El Esquema TN-C requiere un entorno equipotencial eficaz en la instalación, con electrodos de tierra dispersos y separados a intervalos que sean lo más regulares posible, puesto que el conductor PEN es el conductor de neutro y también conduce las corrientes con desequilibrios de fases, así como corrientes armónicas de tercer orden (y sus múltiplos).
Por lo tanto el conductor PEN debe conectarse a una serie de electrodos de tierra en la instalación.
Puesto que el conductor neutro también es el conductor de protección, cualquier corte en el conductor representa un riesgo para las personas y los bienes. El conductor PEN nunca debe ser seccionado ni protegido.

Características Principales Esquema TN-C:
  • N y PE corresponden a un mismo conductor PEN, el cual nunca debe ser seccionado ni protegido.
  • Requiere el uso de interruptores convencionales, lo que lo hace un poco más económico.
Esquema TN-S

El conductor de protección (PE) y el conductor de neutro (N) son independientes. En los sistemas de cables subterráneos en los que existen cables forrados de plomo, el conductor de protección es por lo general la propia pantalla de plomo.

El Esquema TN-S (5 hilos) es obligatorio (en Europa) para los equipos portátiles con circuitos con secciones transversales inferiores a 10 mm2 (6 AWG) en cobre.

Características Principales Esquema TN-S:
  • N y PE son conductores separados, no está permitido el seccionamiento  de PE. Es válido y recomendado el seccionamiento de N, en estos casos se puede utilizar un interruptor tetrapolar.
  • Requiere el uso de interruptores convencionales, lo que lo hace un poco más económico.
  • A la primer falla de aislamiento se dispara la protección.
  • Los esquemas TN-C y TN-S (los menos recomendables frente a presencia de armónicos o frente a riesgos de incendio) podrían presentar caídas de tensión a lo largo de PEN (tensión existente entre el neutro del transformador y tierra), presencia de corrientes parásitas en masas y pantallas y falta de protección frente a defectos de aislamiento de baja corriente, conocido como falla impedante (falla con arco), que podrían producir electrocución de personas incluyendo fibrilación ventricular sin que actúen las protecciones convencionales.
  • elevadas corrientes de cortocircuito (para fallas francas), por lo que es necesario establecer los cálculos de corrientes de cortocircuito y capacidad interruptiva de los dispositivos de protección (en esquemas TN-C no se pueden instalar protecciones diferenciales).


Ante un defecto de aislamiento (falla a tierra), la corriente de defecto (falla) Id no está limitada más que por la impedancia de los cables del bucle del defecto (trayectoria de la falla):


Para una salida determinada y suponiendo que Rd = 0, se tiene:


Donde:

Id Corriente de defecto (falla)
Uo Tensión simple (tensión de fase)
Ud Tensión de defecto (falla)
Rfase1 Resistencia a tierra desde el punto A hacia el punto B.
RPE Resistencia a tierra desde el punto C hacia el electrodo del puesta a tierra del transformador
UL Tensión límite convencional

En efecto durante un cortocircuito se admite que las impedancias aguas arriba de la salida considerada provocan una caída de tensión del orden de 20% sobre la tensión simple Uo, que es la tensión nominal entre fase y tierra; de ahí el coeficiente de 0.8.

Entonces Id provoca la aparición de una tensión de defecto (tensión de falla), respecto a tierra:
Ud = RPE x Id, es decir:


Para redes de 220 V esta tensión es peligrosa, del orden de Uo/2 (si RPE = Rfase), porque es superior a la tensión límite de seguridad UL, incluso en un lugar seco (UL = 50 V).

Por lo tanto es necesario asegurar la desconexión automática e inmediata de la instalación o la parte afectada por el defecto (falla).

Siendo el defecto de aislamiento similar a un cortocircuito fase-neutro, el corte (apertura) debe realizarse con un dispositivo de protección contra cortocircuitos (DPCC) con un tiempo de corte (tiempo de apertura) especificado en función de UL.


Para estar seguro de que la protección es realmente funcional hace falta, que la corriente Id sea superior al umbral de funcionamiento instantáneo de la protección. Esta condición se comprueba en la etapa de diseño de la instalación con los cálculos de cortocircuito en cada nodo.
La longitud máxima de los conductores es un punto a evaluar, ya que a mayor distancia, mayor impedancia, ocurriendo un derrateo de la corriente de cortocircuito.

Las normas (Europeas) proponen diversos métodos para los cálculos de cortocircuito en baja tensión (Id y Lmáx):
  • Método de las impedancias (Reducción de X y R separadas, precisión aceptable)
  • Método de la Composición (es aproximado, estima la corriente de aportación utilitaria cuando esta no se conoce, para instalaciones menores a 800 KVA).
  • Método Convencional (se obtienen unas corrientes mínimas de cortocircuito suponiendo la tensión de origen a un 80% durante el cortocircuito, no usa R para conductores).
Este último, da la ecuación:


Para que la protección asegure perfectamente esta función, es necesario que I·n < Id, de donde Lmáx (longitud máxima permitida por la protección que tiene el margen Ia) es:

Donde:

Lmáx longitud máxima en m
ρ Resistividad a temperatura de funcionamiento
Sfase Sección del conductor
Ia Corriente de disparo instantáneo(en un interruptor automatico Ia = Im)
I·n Corriente de umbral de funcionamiento instantáneo
Im Corriente de disparo del relevador magnético o de corto-retardo

Si la línea tiene una longitud mayor que Lmáx, se puede probar alguna de las siguientes opciones:

  • Disminuir Ia
  • Aumentar SPE (sección del conductor de protección)
  • Instalar un DDR

Esquema TN-C-S

Los Esquemas TN-C y TN-S se pueden utilizar en la misma instalación. En el Esquema TN-C-S, el Esquema TN-C (4 hilos) nunca se debe utilizar aguas abajo del Esquema TN-C-S (5 hilos), puesto que cualquier interrupción accidental en el conductor neutro en la parte aguas arriba provocaría una interrupción en el conductor de protección en la parte aguas abajo, y por lo tanto, representaría un peligro.


Precaución: en el Esquema TN-C, la función de "Conductor de Protección" tiene prioridad sobre la función de "Neutro". Concretamente, siempre se debe conectar un conductor PEN al terminal de tierra de una carga, y se utiliza un puente para conectar este terminal al terminal de neutro.

Características Principales Esquema TN-C-S:
  • Desconexión al primer defecto (falla).
  • N y PE salen del transformador en un solo conductor (PEN) y luego se dividen en dos conductores (N y PE). Lo contrario no es válido. El conductor PEN no debe ser seccionado, ni protegido.
Esquema TN-C-S (USA - NEC)

Una variante del Esquema TN-C-S se presenta en Estados Unidos bajo la norma NEC (de la cual está basada la norma NOM-001-SEDE-2012 de México), aterrizando en el punto de acometida (únicamente en ese punto) la unión de N con PE, como se observa en la siguiente figura:


El Puente de Unión Principal (unión de N con PE en la acometida) Art. 250-24b) y 250-28 de la norma NOM-001-SEDE-2012, puede ser una barra, cable o tornillo marcado color verde:


La siguiente figura muestra un servicio de acometida, el conductor puesto a tierra (neutro) llega a su barra de neutro (N) y se une por medio del Puente de Unión Principal al bus de puesta a tierra de equipo (PE):


Esquema IT (neutro aislado o neutro impedante)

En el Esquema IT - Neutro Aislado, no se realiza ninguna conexión entre el punto neutro de la fuente de alimentación y tierra.


Las partes conductoras accesibles (masas de las cargas) y extrañas de la instalación se conectan a una toma de tierra.

En la práctica, todos los circuitos tienen una impedancia de fuga a tierra, puesto que ningún aislamiento es perfecto. En paralelo con esta ruta de fuga resistiva (distribuida) se encuentra la ruta de la corriente capacitiva distribuida, y juntas constituyen la impedancia de fuga normal a tierra.


En un esquema de baja tensión trifásico a 3 hilos, 1 km de cable representará una impedancia de fuga debido a C1, C2, C3, y a R1, R2 y R3 equivalente a una impedancia a tierra de neutro Zcf de entre 2.6 y 4 kΩ:

Para 1 Km,
C = 1 μF / Km
R = 1 MΩ / Km

A 60 Hz, dan:
Zcf = 1/jωC = 1/2πfC = 1/(2πx60x0.000001) = 2.6 kΩ

La impedancia de fuga a tierra es mayormente debido al efecto capacitivo, siendo a 50 Hz, Zcf=3.2 kΩ.
De la siguiente figura, ocurriendo una primer falla o defecto, la corriente de defecto se establece como sigue (valor máximo falla franca y neutro no distribuido):


If = Ic1 + Ic2, siendo:

Ic1 = jωCf x V13
Ic2 = jωCf x V23

De donde:
Id = Uo x 3ωCf

Para 1 Km de red a 230/400 V, 50 Hz, la tensión de defecto (tensión de falla) será:

Ud = Rb x Id, es decir:

Ud = Uo x Rb / (Rb + Zcf)

Ud = 230 x 10 / (10 + 3200) = 0.7 V

Es decir, 0.7 V, si Rb = 10Ω

Esta tensión no es peligrosa, por lo que la instalación puede mantenerse en servicio.

Si el neutro está distribuido, la diferencia de potencial del neutro respecto a tierra añade una corriente:

Icn = Uo x ωCf
Id = Uo x 4ωCf

Esquema IT -  Neutro con impedancia de conexión a tierra, una impedancia Zs (entre 1 y 2 kΩ) se conecta de forma permanente entre el punto neutro del devanado de baja tensión del transformador y tierra:


Todas las partes conductoras accesibles (masas de las cargas) y extrañas de la instalación se conectan a una toma de tierra. Lo que se pretende con esta forma de conectar la fuente de alimentación a tierra es fijar el potencial de una red pequeña con respecto a tierra (Zs es pequeña en comparación con la impedancia de fuga) y reducir el nivel de sobretensiones, como las que se transmiten desde los devanados de alta tensión, las carga estáticas, etc., con respecto a tierra. Sin embargo, tiene el efecto de aumentar ligeramente el nivel de corriente para el primer defecto (falla).

Los usos comunes del Esquema IT es en hospitales, circuitos de seguridad (como alumbrado de emergencia, industria, minas y canteras, instalaciones que presentan un riesgo de incendio, redes de control y supervisión de maquinaria, sensores de autómatas y accionadores.

La corriente del primer defecto (falla) en un Esquema IT de neutro impedante es:
Id = U / Zeq

siendo 1 / Zeq = 1 / Zn + 3jωCf

La tensión de defecto (falla) resulta débil, no peligrosa y la instalación puede mantenerse en servicio.
El aviso de  <> que da el Controlador Permanente de Aislamiento (CPI) que supervisa los conductores activos y neutro es obligatorio por la norma francesa NFC 15-100.

Si ocurre un segundo defecto (falla de dos fases a tierra), el riesgo de electrocución es similar al Esquema TN.

Características Principales Esquema IT:
  • Continuidad del servicio durante el funcionamiento del esquema.
  • Señalización del primer defecto (falla) y corte al segundo defecto (falla de 2 fases a tierra) por dispositivos convencionales de protección como interruptores automáticos o fusibles.
  • La falla de linea a tierra puede subir los niveles de tensión fase a fase, exigiendo un cable con capacidad de aislamiento de 173%.
Elección de Esquema de Conexión a Tierra:

La elección del Esquema normalmente se vé influenciada por el usuario final de la energía eléctrica y por la compañía suministradora.

Los componentes relevantes en la elección son:
  • Seguridad
  • Disponibilidad
  • Mantenibilidad (continuidad del servicio)
  • Fiabilidad
En la siguiente figura se repasan los puntos fuertes y débiles de cada Esquema.


El objetivo de este tema es perfeccionar los conocimientos sobre los Esquemas de Conexión a Tierra, y solucionar algunas dudas con respecto a cierto términos no comunes para alguien más familiarizado con el NEC de USA, permitiendo de esta manera alertar sobre la importancia de la seguridad en las instalaciones eléctricas.
Referencias:
  1. "Guía de diseño de instalaciones eléctricas", Capitulo E17 Schneider Electric 2008.
  2. Cuaderno técnico N°158 "Cálculo de corrientes de cortocircuito" Schneider Electric 2000.
  3. Cuaderno técnico N°172 "Los esquemas de conexión a tierra en BT (regímenes de neutro)" Schneider Electric 2003.
  4. Cuaderno técnico N°173 "Los esquemas de las conexiones a tierra en el mundo y su evolución" Schneider Electric 2000.
  5. "Regímenes de neutro en baja tensión" dossier RNBT E-12, Hager.
  6. "Regímenes de neutro" Siemens.
  7. Libro "Tierras Soporte de la seguridad eléctrica" 3Ed. Favio Casas Ospina, ICONTEC.
  8. "IEC Grounding terminology how it relates to typical North American installations, Paul G. Cardinal, IEEE Industry Applications Magazine, Jan-Feb 2012.

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