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viernes, 7 de septiembre de 2018

Sistemas de conexión del neutro y masas para la aplicación del esquema TN





Este post desarrolla el apartado 2 de la ITC RBT 08, que dice:

Prescripciones especiales para la aplicación del esquema TN

Para que las masas de la instalación receptora puedan estar conectadas a neutro como medida de protección contra contactos indirectos, la red de alimentación debe cumplir las siguientes prescripciones especiales:
  1. La sección del conductor neutro debe, en todo su recorrido, ser como mínimo igual a la indicada en la tabla siguiente, en función de la sección de los conductores de fase.

Sección de los conductores de fase (mm2)
Sección nominal del conductor neutro (mm2)
Redes aéreas
Redes subterráneas
16
16
16
25
25
16
35
35
16
50
50
25
70
50
35
95
50
50
120
70
70
150
70
70
185
95
95
240
120
120
300
150
150
100
185
185

Tabla 1. Sección del conductor neutro en función de la sección de los conductores de fase.
  1. En las redes aéreas, el conductor neutro se tenderá con las mismas precauciones que los conductores de fase.
  2. Además de las puestas a tierra de los neutros señaladas en las instrucciones ITC-BT-06 e ITC-BT-07, 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.
  3. 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.
  4. La resistencia global de tierra, de todas las tomas de tierra del neutro, no será superior a 2 ohmios.
  5. En el esquema TN-C, las masas de las instalaciones receptoras deberán conectarse al conductor neutro mediante conductores de protección.

Observaciones y desarrollo de lo indicado en el apartado 2 de la ITC RBT 08 


Las diferencias básicas de un sistema de puesta a tierra con utilización  de dispositivos diferenciales y con cortacircuitos fusibles e interruptores magnetotérmicos radica en los siguientes puntos:


Puesta a tierra con cortacircuitos fusibles e I. Magnetotérmicos
Puesta a tierra con dispositivos diferenciales
Valores de Rt necesarios
Rt ≤ 2 𝛀
Rt ≤ 1666 𝛀
Tiempos de actuación
0,5 ≤ t  150 seg.
t  0,2 seg.
Valores de intensidades de defecto
ID  ≥ 10 Amp.
0,03  ID  3 Amp.

Cuando se produce un defecto, aparece una intensidad de corriente, que hace actuar los dispositivos de corte, en un tiempo tal, que el posible contacto no sea peligroso. Su relación i-t estará por debajo de la curva de seguridad.

Puestas a tierra en sistemas TN

La resistencia de tierra que exige este sistema, precisa de una realización de puesta a tierra cuidadosa, siendo necesario cumplir los aspectos descritos anteriormente del Reglamento de BT, analicemos algunas situaciones:

1º.- La resistencia global de tierra, de todas las tomas de tierra del neutro, no será superior a 2 ohmios.

2º.- 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.

Ejemplo:


Puesta a tierra del neutro


El sistema TN se basa entre otras condiciones, en que la resistencia del camino de retorno en el cortocircuito fase-neutro tenga la mínima resistencia posible. Este camino de retorno será fundamentalmente el conductor de protección y neutro. No obstante, en paralelo con este conductor, se dispone del camino a través de la tierra cuya resistencia debe ser lo mínimo posible para que la tensión que pueda alcanzar el conductor neutro respecto a tierra de referencia (y sus masas asociadas) sea lo menor posible.

a)      Puesta a tierra simple del neutro




Esta tensión es elevada para que pueda ser aplicada a una persona. Debería eliminarse el defecto en tS ≤ 200 ms.

b)      Puesta a tierra múltiple del neutro


Realizamos la transformación de la impedancia real a una impedancia equivalente utilizando la transformación triángulo-estrella.



Al utilizar para simplificar cálculos resistencias ohmicas de igual valor R = 2 ohmios  la transformación se simplifica Z = 3ZY, pudiendo calcular fácilmente la resistencia equivalente.

La resistencia del camino de retorno ahora ha pasado de 6 ohmios  a 2,28 ohmios  y tendremos:


Esta tensión es mucho menos peligrosa que la anterior y se tendrá que eliminar en 2,2 segundos. Además la intensidad de corriente que pasará por el elemento de potencia es mayor ahora y podremos poner elementos de mayor intensidad nominal y la línea podrá suministrar mayor potencia. El reglamento, tal como se ha dicho anteriormente, indica que se ponga a tierra el neutro en diversos puntos, no solo en el CT.



Fallo fase-tierra a través de una masa


Uno de los principales peligros del sistema TN es que pueda producirse un defecto fase-tierra a través de un elemento conductor que no este unido al conductor de potencial del sistema TN.



El neutro de la estrella estará a un potencial VN, suponiendo (como es usual) que el sistema está equilibrado, no circulará ninguna corriente por el neutro, por lo que todo el conductor neutro estará a la tensión VN. En nuestro ejemplo tendríamos:


Todas las masas unidas al conductor de protección estarán a una tensión de 72,4 V lo que es un valor peligroso que debería eliminarse en un tiempo máximo de 1,2 segundos. Pero el defecto permanecerá indefinidamente ya que el elemento de protección no está recorrido por la corriente de defecto y el sistema TN no actuará.

La protección en este caso debería realizarse con otros sistemas complementarios, utilizando una vigilancia continua de la tensión del conductor de protección, o disponiendo una red equipotencial, o un interruptor diferencial.
Dado el valor reducido de la resistencia de la línea RL frente a la resistencia de tierra del conductor neutro RN y de la resistencia de paso de la corriente a tierra a través del elemento conductor RM, generalmente se suele despreciar el valor de RL considerando que la tensión a la que quedará el conductor neutro será:


Si la resistencia de la tierra de neutro es grande, comparada con la del defecto, la tensión a que puede quedar el conductor neutro respecto a tierra de referencia y las masas unidas al mismo, puede ser muy peligrosa. Supongamos RN = 20 ohmios ; RM = 4 ohmios ; tendremos:


ésta tensión es muy peligrosa, de aquí la necesidad de que la resistencia de tierra del conductor neutro sea lo más baja posible (como máximo la resistencia total debe ser RN ohmios )

Puesta a tierra con dispositivos diferenciales


Como es sabido, en caso de fallo la corriente de defecto regresaría por tierra cerrando el circuito de defecto. Prácticamente la resistencia de este bucle lo constituye la resistencia de tierra de la masa y la resistencia de tierra del neutro del transformador. Para que el sistema funcione adecuadamente es necesario que el valor de tierra sea lo menor posible para facilitar la rapidez de actuación del sistema de corte y por otro lado la resistencia de tierra de la masa ha de ser tal que en ella no se produzcan tensiones peligrosas. Vamos a cuantificar el valor de esta resistencia para cumplir esas condiciones.

Se utiliza la expresión:

Siendo:

VS = Tensión de seguridad (tensión de defecto)
RT = Resistencia de tierra de la masa a proteger
ID = Intensidad de defecto que va a tierra.

En la tabla siguiente quedan recogidos los valores para diferentes tensiones de seguridad calculados con la fórmula anterior:

Corriente de defecto ID
Máxima resistencia de tierra (𝛀)
(Tensión de seguridad VS)
50 V
24 V
30 A
1,7
0,8
20 A
2,5
1,2
10 A
5
2,4
5 A
10
4,8
3 A
17
8
1 A
50
24
500 mA
100
48
300 mA
166
80
100 mA
500
240
30 mA
1666
800
10 mA
5000
2400

RT = Resistencia de la toma de tierras de las masas
IA = Corriente de funcionamiento del dispositivo de disparo en el tiempo especificado en la tabla anterior para tensión de contacto U.


OBSERVACIONES:

El sistema TN C no protege contra contactos directos y para evitar que al conectar un receptor al circuito eléctrico, su masa pueda quedar en tensión, se precisa disponer de elementos polarizados, con distinción clara de fase-neutro y la imposibilidad de realizar una falsa maniobra.

Conviene destacar que los interruptores diferenciales de alta sensibilidad aportan al sistema una protección muy eficaz contra incendios, al limitar a potencias muy bajas las eventuales fugas de energía eléctrica por defecto de aislamiento.

Es conocido que el 30% de incendios de edificios tienen su origen en un defecto eléctrico, de los cuales el más común es el deterioro del aislamiento de los cables y receptores de la instalación a causa de:

•  Rotura brusca accidental del aislante de un conductor
•  Envejecimiento y rotura final del aislante de un conductor
Cables mal dimensionados, sometidos periódicamente a sobrecargas en los que se acelera su proceso de envejecimiento.
•  Defectos de aislamiento en cables y receptores en general (domestico e industrial).

Dos piezas metálicas cuyo contacto sea puntual, con una corriente de 300 mA pueden poner en estado incandescente el punto de contacto.

Por consiguiente, cualquiera que sea el régimen de neutro, las instalaciones eléctricas en los locales con riesgo de incendio deberán protegerse con dispositivos diferenciales residuales de sensibilidad:


Un defecto de aislamiento cuya fuga de corriente a tierra alcance un valor igual o superior a 300 mA puede producir un incendio. 


Riesgo de incendio a partir de 300 mA de fugas de corriente  a tierra

Este ejemplo simplista, nos pone de manifiesto que los defectos de aislamiento de gran resistencia (poca intensidad) no pueden ser protegidos con fusibles o interruptores magnetotérmicos debido a su “elevado” umbral de actuación (véase tabla), siendo por tanto, adecuados para proteger contra sobrecargas o cortocircuitos, (también susceptibles de provocar incendios debido a la considerable energía del arco eléctrico que conllevan).

Tipo de protección
Fusibles
Intensidad de fusión
Extrarrápidos
Rápidos
Lentos
1,6 In
1,8 In
3,5 In
Interruptores automáticos
Intensidad de actuación
HLS
permiten rearme manual
después de su actuación
2,5 In

Es sabido que cada materia necesita una determinada energía de activación para su ignición.

Los dispositivos diferenciales hacen que:

1º.- Esta energía no alcance valores altos.

Siendo:

U = Tensión fase-tierra
I = Corriente nominal de intervención
t = Tiempo transcurrido desde el inicio del defecto
E = Energía de inflamación, proporcionada


2º.- Aunque la potencia sea elevada, el fallo no dura más de 0,2 segundos (tiempo de respuesta de un diferencial) con lo cual la energía se mantiene en valores muy bajos.

Un interruptor magnetotérmico no sería eficaz en este caso, ya que por ejemplo, uno de intensidad nominal 100 A, con un defecto a tierra de 10 A no dispararía; sin embargo 10 A a 380/220 V. provocaría un foco de incendio alimentado por unos 2 kW.



FUENTES:

Reglamento electrotécnico para BT: ITC BT 08 e ITC BT 24





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