Contactos
indirectos en un esquema de distribución IT (Neutro aislado)
·
tensión de
contacto que se desarrolla durante un primer fallo de aislamiento (ver figura 1)
Se supone una red inicialmente bien aislada.
Cuando ocurre un primer fallo de aislamiento en una fase, la corriente de
defecto If es igual a la corriente capacitíva que se cierra por las
fases sanas.
Supongamos una red muy extensa con 10 km de
cable; la capacidad entre cada fase y la tierra es entonces aproximadamente 2.5
μF y la corriente de defecto tiene el valor:
Si rM = 10 Ω, las masas interconectadas se
ponen al potencial:
Este potencial no es peligroso. El voltaje que
aparece entre dos masas vecinas accesibles simultáneamente es insignificante.
El aumento del potencial de una masa no interconectada muy lejana es cero.
Una red con neutro aislado, incluso si es muy extensa,
no presenta ningún peligro en presencia de un primer fallo de aislamiento; la
explotación del sistema eléctrico puede continuar siempre que se informe, investigue y elimine el
defecto antes de que aparezca un segundo fallo en la instalación..
Sin embargo, en el caso de una red que suministra
a muchos receptores con una corriente de fuga capacitíva fase-tierra importante
(equipo informático, por ejemplo), habrá que verificar que la tensión de
contacto que se desarrolla durante el primer fallo de aislamiento es inferior a
la tensión límite de seguridad UL:
UL = 50 V para locales secos y 25 V
para locales húmedos
rN :
resistencia de la toma de tierra del neutro
rM :
resistencia de las tomas de tierra de las masas
rM3 :
resistencia de la toma de tierra de una masa lejana no interconectada
rS :
resistencia del suelo
C1, C2, C3 : capacidades fase-tierra
If :
corriente de defecto
UC1, UC2, UC3 :
tensiones de contacto con relación al suelo
UC4, UC5 :
tensión de contacto entre dos masas simultáneamente accesibles
Figura 1: Tensiones de contacto en
una red con neutro aislado
durante el primer fallo de
aislamiento
·
Tensión de
contacto que se desarrolla durante el segundo fallo de aislamiento (ver Figura
2)
Cuando ocurre un segundo fallo de aislamiento, se
establece una corriente de defecto If entre las masas m1
y m2.
Esta corriente fluye en los conductores de fase y
los conductores de protección que interconectan las masas. Está limitado solo
por la impedancia del bucle de defecto ABCDEFGHIJ.
Supongamos que:
· el primer
receptor es alimentado por un cable de cobre de 50 mm² con una longitud de 50 m
y el segundo por un cable de cobre de 25 mm² y 30 m de largo.
·
conductores
de protección de la misma longitud y sección que los conductores de fase
·
impedancia nula
para el tramo FE.
Si se desprecian las reactancias, la impedancia ZB
del bucle ABCDEFGHIJ es igual a:
Con:
ρ = 22,5 · 10-3
Ω ·mm2 /m (resistividad del cobre)
y tomando:
Para tener en cuenta
los enlaces AB y IJ, se tiene:
rN :
resistencia de la toma de tierra del neutro
rM :
resistencia de las tomas de tierra de las masas
rM3 :
resistencia de la toma de tierra de las masas alejadas no interconectada
rS :
resistencia del suelo
C1, C2, C3 : capacidades fase-tierra
If :
corriente de defecto
UC1, UC2, UC3 : tensiones de contacto con relación al
suelo
UC4, UC5 : tensión de
contacto entre dos masas simultáneamente accesibles
ABCDEFGHIJ :
bucle de defecto
Figura 2: Tensión de contacto en una
red con neutro aislado
después de un segundo fallo de
aislamiento
La tensión que aparece entre las masas m1
y m2 es igual a:
La masa m1 alcanzará un potencial:
Y la masa m2 alcanzará un potencial:
La masa m3 no interconectada no
experimenta ningún aumento de potencial.
En el caso de que el segundo fallo ocurra en una
masa remota no interconectada m3, la corriente de defecto If
se cierra por tierra y está limitada por las resistencias de puesta a tierra rM
y rM3.
Si rM = 10 Ω y rM3 = 15 Ω, por ejemplo, las masas interconectadas alcanzan un
potencial:
Y la masa lejana alcanzará un potencial:
En cualquier caso, las tensiones de contacto son
peligrosas y es necesario el corte de la fuente de alimentación.
En una red con neutro aislado, las tensiones de
contacto que se desarrollan durante un primer fallo de aislamiento no son
peligrosas. Se convierten en peligrosas solo en presencia de un segundo fallo
de aislamiento lo que impone el corte de la fuente de alimentación.
Las reglas de funcionamiento para una red con
neutro aislado son las siguientes:
- monitoreo permanente del aislamiento por un controlador de aislamiento
- señalización de primer fallo de aislamiento, seguido de su búsqueda y eliminación por personal competente
- corte de la alimentación obligado en el segundo fallo de aislamiento.
El corte de la alimentación se obtiene
normalmente mediante dispositivos que ofrecen protección contra fallos entre
fase-fase (disyuntores, fusibles, etc.). Debe verificarse que la corriente que
se desarrolla durante el segundo fallo es suficientemente alta para la
operación de estos dispositivos. Esta es la razón por la cual es necesario
interconectar todas las masas de la instalación con conductores de protección
para controlar las impedancias de los bucles en los que se desarrollan las
corrientes de defecto.
Como se mencionó anteriormente, las masas
distantes pueden no estar interconectadas con otras. En este caso, las
corrientes que se desarrollan en presencia de dos fallos de aislamiento no son
capaces de hacer funcionar los dispositivos de protección contra fallos fase-fase.
El corte de la alimentación se obtiene mediante dispositivos de protección de
corriente residual. Un dispositivo de
este tipo debe instalarse en la salida que alimenta a cada receptor o a cada grupo
de receptores cuyas masas no están interconectadas con las de los otros
receptores (ver Fig. 3).
CPI: controlador permanente de aislamiento
Masas interconectadas: protección del segundo
fallo con dispositivos de protección contra defectos entre fases
Masas no interconectadas: protección del segundo
fallo con dispositivos de protección de corriente diferencial residual.
Figura 3: Uso de dispositivos
diferenciales de corriente residual
para la protección de receptores
alejados (m3)
En los casos en que las masas están
interconectadas, es posible que, en el segundo fallo, las protecciones contra
fallos entre fases (interruptores, fusibles, etc ...) no funcionen.
Este es el caso cuando la impedancia del bucle de
defecto es demasiado elevada, debido a la longitud excesiva de los cables, por
ejemplo; la protección debe ser provista por otros dispositivos, dispositivos
de protección de corriente residual, por ejemplo, o por implementación de
medidas especiales. Estas medidas se describen en el post: “Implementación del
esquema de IT” descrito en el siguiente link:
https://imseingenieria.blogspot.com/2019/08/implementacion-y-explotacion-de-una-red.html
https://imseingenieria.blogspot.com/2019/08/implementacion-y-explotacion-de-una-red.html
La verificación del funcionamiento de los dispositivos
de protección contra fallos entre fases se puede llevar a cabo mediante el
siguiente método simplificado, que es suficiente en la mayoría de los casos y
permite la verificación mediante simples cálculos "manuales" (ver
Tablas 2-a y 2-b).
Existen métodos más sofisticados, que realizan cálculos
precisos de las corrientes de fallo utilizando softwares especializados.
La ley de Ohm se aplica al bucle de defecto con
los siguientes supuestos:
- Para tener en cuenta las impedancias aguas arriba, se supone que la tensión entre el conductor defectuoso y el conductor de protección que causa el circuito defectuoso es igual al 80% de la tensión nominal.
- Ante la imposibilidad práctica de llevar a cabo la verificación de todas las configuraciones con doble fallo, cada circuito se toma por separado. Se le supone en defecto con un circuito idéntico. La impedancia del bucle de un doble defecto es entonces el doble que la del circuito en estudio.
- Son despreciables las reactancias para secciones < 150 mm², para secciones de 150 mm² y superiores las resistencias son corregidas por los siguientes coeficientes:
150 mm2: R · 1,15
185 mm2: R · 1,20
240 mm2: R · 1,25
300 mm2: R · 1,30
El
cálculo conduce a verificar que la longitud de cada circuito es inferior que el
valor máximo dado en las relaciones siguientes (ver Tablas 1-a y 1-b).
Si
el conductor neutro no está distribuido:
Si
el conductor neutro está distribuido:
Imagn
y Ifus son las corrientes que garantizan el funcionamiento de los
dispositivos de protección en un tiempo inferior al tiempo de corte máximo
correspondiente a la tensión de contacto UC que se desarrolla en el
receptor defectuoso.
En
la práctica, en aras de la simplificación, la norma IEC 60 364 ha permitido
ignorar la supuesta tensión de contacto que se desarrolla en el receptor
defectuoso y ha adoptado tiempos de corte constantes dependiendo de la tensión
nominal de la red de baja tensión (ver Tabla 1).
Tabla
1: Tiempos de corte en función de la tensión nominal de la red
Cabe
señalar que estos tiempos son respetados por el hecho de que utilizamos
interruptores automáticos, en efecto, el tiempo de funcionamiento de un
interruptor automático por acción de relé magnético es del orden de 20 ms
máximo.
Por
lo tanto, es suficiente verificar que la corriente de falta que se desarrolla
en el bucle de defecto es mayor que el umbral operativo del relé magnético. En
el caso de uso de interruptores con retardo, es imperativo que el retraso en el
corte no sea mayor que los valores de la Tabla 1.
Tabla
2-a: Verificación de las condiciones de disparo en el esquema IT
para
el caso de neutro no distribuido
Tabla
2-b: Verificación de las condiciones de disparo en el esquema IT
para
el caso de neutro distribuido
Leyenda de las tablas 2-a y 2-b
ABCDEFGHI:
bucle de defecto
If:
corriente de defecto
L:
longitud del cable
Lmax:
longitud máxima en metros
V:
tensión simple en voltios (220 V para una red de 220/380 V)
U:
tensión compuesta en voltios (380 V para una red de 220/380 V)
UC:
tensión de contacto
Sph:
sección de fase en mm²
- S1 = Sph si el circuito considerado no implica al neutro,
- S1 = SN si el circuito implica al neutro
SPE:
sección del conductor de protección
ρ: resistividad a temperatura normal de
funcionamiento
- ρ = 27 · 10-3 Ω. mm2/m para cobre = 1.5 veces la resistividad a 20 °C
- ρ = 43 · 10-3 Ω. mm2/m para aluminio = 1.5 veces la resistividad a 20 ° C
Imagn.,
IFus: corrientes que aseguran el funcionamiento de los dispositivos
de protección en un tiempo inferior al de corte correspondiente a la tensión de
contacto que se desarrolla en el receptor defectuoso.
FUENTE:
Schneider Electric: Guide de conception des réseaux électriques
industriels (Christophe PRÉVÉ, Robert JEANNOT)
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de neutro y esquemas de conexión a tierra utilizados en baja tensión
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