Conceptos relativos a las instalaciones eléctricas
El esquema de conexión a tierra, también conocido como régimen de neutro, especifica la forma en la que se relacionan el bobinado secundario de un transformador de media a baja tensión y las masas metálicas con potencial 0 (tierra) en una instalación eléctrica.
Todos los esquemas, en combinación con otros dispositivos de protección, garantizan la seguridad de las personas frente a los contactos indirectos debidas a fallos de aislamiento. Su principal diferencia radica en la continuidad del suministro eléctrico.- ..............................................:http://es.wikipedia.org/w/index.php?title=Especial:Libro&bookcmd=download&collection_id=d95a4d14c63fb513612e53908963ceb6afa88fd5&writer=rdf2latex&return_to=Esquema+de+conexi%C3%B3n+a+tierra
Existen en nuestro país distintas formas de distribuir la energía eléctrica (de corriente alterna) a los consumidores (cargas). Incluso dentro de una misma empresa pueden coexistir 2 o 3 formas distintas de distribuir la CA.
Estas distintas formas de llevar la energía se clasifican según lo que se conoce como Esquemas de Conexión a Tierra (ECT), o en otras palabras, la forma en cómo se conectan a tierra las masas eléctricas (ejemplo: el chasis metálico) de las cargas y el neutro del transformador que los alimenta.
El conocimiento de éstos esquemas, o tipo de distribución, es importante para los técnicos como usted, que trabaja con electricidad, dado que cada uno posee características propias relativas a la seguridad eléctrica de las personas (específicamente la protección contra los contactos indirectos) y la compatibilidad electromagnética general de la instalación consumidora (dicho en forma sencilla, el mejor funcionamiento del equipamiento eléctrico ante posibles interferencias eléctricas y magnéticas).
En este artículo veremos las características generales de los distintos ECT que se manejan en el mundo, con especial referencia a nuestro país, que nos permitirán visualizar los pro y contra de cada uno de ellos, así como deducir los elementos necesarios para la protección contra contactos indirectos.
Clasificación de los ECT
Los distintos esquemas se identifican por un código de 2 letras, donde:
La primera letra identifica la conexión del neutro (del secundario del transformador trifásico que alimenta a las cargas) y tierra. En virtud de esto dicha letra puede ser:
T: cuando existe una conexión directa a tierra
I: cuando no existe una conexión a tierra, o está conectado a tierra a través de una impedancia de valor suficientemente alto (I viene de “Isolated” o aislado, en inglés)
La segunda letra identifica el tipo de conexión a tierra entre las masas de las cargas y tierra. En virtud de esto dicha letra puede ser:
T: conexión eléctrica directa de las masas a tierra, independiente de la que tenga el neutro del secundario del transformador del sistema de alimentación
N: conexión directa de las masas al punto de conexión a tierra del neutro
De lo anterior tenemos que los ECT se identifican como TT, TN e IT.
A continuación veremos las características generales de cada uno de los mismos. Luego los volveremos a ver bajo la óptica de lo que sucede al existir una falla en el aislamiento de una carga. Cabe señalar que en los diagramas que usaremos a continuación vamos a usar los siguientes símbolos para hacer referencia a los distintos conductores que hay en la instalación.
Estas distintas formas de llevar la energía se clasifican según lo que se conoce como Esquemas de Conexión a Tierra (ECT), o en otras palabras, la forma en cómo se conectan a tierra las masas eléctricas (ejemplo: el chasis metálico) de las cargas y el neutro del transformador que los alimenta.
El conocimiento de éstos esquemas, o tipo de distribución, es importante para los técnicos como usted, que trabaja con electricidad, dado que cada uno posee características propias relativas a la seguridad eléctrica de las personas (específicamente la protección contra los contactos indirectos) y la compatibilidad electromagnética general de la instalación consumidora (dicho en forma sencilla, el mejor funcionamiento del equipamiento eléctrico ante posibles interferencias eléctricas y magnéticas).
En este artículo veremos las características generales de los distintos ECT que se manejan en el mundo, con especial referencia a nuestro país, que nos permitirán visualizar los pro y contra de cada uno de ellos, así como deducir los elementos necesarios para la protección contra contactos indirectos.
Clasificación de los ECT
Los distintos esquemas se identifican por un código de 2 letras, donde:
La primera letra identifica la conexión del neutro (del secundario del transformador trifásico que alimenta a las cargas) y tierra. En virtud de esto dicha letra puede ser:
T: cuando existe una conexión directa a tierra
I: cuando no existe una conexión a tierra, o está conectado a tierra a través de una impedancia de valor suficientemente alto (I viene de “Isolated” o aislado, en inglés)
La segunda letra identifica el tipo de conexión a tierra entre las masas de las cargas y tierra. En virtud de esto dicha letra puede ser:
T: conexión eléctrica directa de las masas a tierra, independiente de la que tenga el neutro del secundario del transformador del sistema de alimentación
N: conexión directa de las masas al punto de conexión a tierra del neutro
De lo anterior tenemos que los ECT se identifican como TT, TN e IT.
A continuación veremos las características generales de cada uno de los mismos. Luego los volveremos a ver bajo la óptica de lo que sucede al existir una falla en el aislamiento de una carga. Cabe señalar que en los diagramas que usaremos a continuación vamos a usar los siguientes símbolos para hacer referencia a los distintos conductores que hay en la instalación.
Esquema TT – Características generales
Un esquema tipo TT es como el de la figura 1. Tal como lo indica su nombre, el neutro de la red de alimentación y las masas de los consumidores están conectados directamente a tierra (“TT”), las cuales se exige que sean distintas.
fig 1: esquema TT
Este es el tipo de distribución trifásico público de 400 V AC que, por ejemplo, usa UTE en nuestro país (aunque también usa una distribución 230 V AC IT que la veremos más adelante). Los consumidores monofásicos (230 V) se deben conectar entre una fase y neutro. Los consumidores trifásicos (400 V) se conectan entre fases. A su vez, la puesta a tierra del consumidor está separada de la del neutro de la distribución. Rb y Ra son los valores de resistencia de la puesta a tierra de la distribución y de la instalación consumidora respectivamente (estos valores de resistencia son los que todo instalador, y reglamento de instalaciones, busca que sean “chicos”). Dichas puestas a tierra deben ser independientes (si dichas puestas a tierra fueran muy próximas una a la otra, o coincidieran, entonces el esquema pasaría a ser TN-S). En el caso que las puestas a tierra sean mediante una sola jabalina, la distancia entre ellas debe ser del doble de la longitud de las jabalinas (aproximadamente) para poder lograr la independencia antes comentada.
Esquema IT – Características generales
Un esquema tipo IT es como el de la figura 2. Tal como lo indica su nombre, el neutro de la red de alimentación esta aislado (“I”) de tierra y las masas de los consumidores están conectadas directamente a tierra (“T”).
figura 2: esquema IT (el neutro puede estar distribuído o no) – Z es un valor grande o no existe
El neutro del secundario no está conectado a tierra (o lo está a través de una resistencia mayor a 1500 ohm). Parte de la red de UTE (la que conocemos comúnmente como “trifásica 230 V”) es de este tipo, con el neutro aislado de tierra. Los consumidores monofásicos (230 V) se conectan entre fases. Obsérvese que, idealmente, si conectáramos una carga entre una fase y tierra (tal como puede ser el caso de una lámpara) el mismo no debería funcionar (encender en el caso de la lámpara) pues no existe camino para que se complete, o “cierre” un circuito eléctrico con el neutro (que está aislado de tierra) o alguna de las otras fases. Sin embargo, en la práctica, cuando un técnico hace una prueba como la antes mencionada, a veces, se encenderá la lámpara. Esto se analizará cuando veamos los defectos de aislamiento en un esquema IT.
Esquema TN – Características generales
El esquema TN tiene el neutro del sistema de alimentación conectado directamente a tierra (“T”), y las masas de la instalación consumidora también conectadas a ese punto por medio de los conductores de protección (PE). Este conductor de protección lo podremos conectar a tierra (en el mismo punto) mediante un cable separado del neutro (conexión –S) o a través de éste (conexión –C). Debido a que esta última conexión puede hacerse de 2 formas distintas, como recién explicamos, es que un esquema TN se subclasifica en tres tipos, dependiendo de la relación entre el Neutro y el cable de protección PE (cable de tierra verde o verde-amarillo).
ESQUEMA TN-S: es aquel en el que el conductor neutro (N) y el conductor de protección (PE) están conectados entre sí y a tierra en la alimentación y separados en todo el resto del sistema, tal como en la figura 3.
figura 3:esquema TN-S
ESQUEMA TN-C: es aquel en el que las funciones de neutro (N) y de protección (PE) se combinan en un solo conductor (PEN) en todo el sistema y en el que dicho conductor común está puesto a tierra en la alimentación, tal como en la figura 4.
figura 4: esquema TN-C
ESQUEMA TN-C-S: es aquel en el que, en una parte del sistema, las funciones de neutro y de protección se combinan en un solo conductor (PEN), puesto a tierra en la alimentación y en el que, a partir de un determinado punto, dicho conductor PEN se desdobla en un conductor neutro N y en un conductor de protección PE. O sea que es una combinación de los dos sistemas anteriores ya que en una parte del sistema responde al esquema TN-C y en otra al TN-S. Esto se muestra en la figura 5.
figura 5: esquema TN-C-S
El esquema TN-C es usado en muy pocos países para la distribución pública (un caso es en Paraguay). El esquema más usado, dentro del TN, es el TN-S el cual se observa en la mayoría de las fábricas que tienen subestación propia.
Defectos de aislamiento
Para asegurar la protección de las personas y la continuidad de la explotación, los conductores y las piezas con tensión de una instalación eléctrica están “aislados“ respecto a las masas conectadas a tierra (en lo que sigue se pretende dar una explicación sencilla de cómo difiere la protección contra contactos indirectos según el esquema de conexión a tierra, y no una explicación rigurosa de protección eléctrica).
El contacto de una persona con masas accidentalmente puestas bajo tensión se denomina contacto indirecto (figura 6).
fig 6: contacto indirecto
Trabajando a tensiones industriales, uno de los principios fundamentales para la protección contra el contacto indirecto es la conexión a tierra de las masas de los receptores y equipos eléctricos (la excepción a este caso es usar equipos con doble aislamiento tal como algunos extractores de cocina; pero este no es el caso habitual). De esta forma se evita que dicho defecto de aislamiento se convierta en un contacto directo (es decir, el contacto con un conductor activo). La falla produce una corriente de defecto (Id) y provoca una elevación de la tensión entre la masa del receptor eléctrico y la tierra; aparece por tanto una tensión de defecto, y de contacto Uc, que es peligrosa si es superior a la tensión UL (tensión límite prevista por las normas de seguridad). Por lo tanto, se precisa desconectar dicho circuito con el fin de la seguridad de las personas. Veremos que la forma de suprimir el riesgo depende del tipo de ECT.
Esquema TT – defecto de aislamiento
Ante un fallo de aislamiento, la corriente de defecto Id (figura 7) queda limitada, sobre todo, por las resistencias de tierra Ra y Rb.
figura 7: defecto en un TTSi consideramos que la falla del aislamiento es franca, es decir que la resistencia del aislamiento es cero, la corriente de defecto es:
Esta corriente de defecto produce una tensión de defecto Ud = RaxId , o, lo que es lo mismo:
Siendo normalmente bajas las resistencias de tierra y del mismo orden de magnitud (10 ohmios aproximadamente), la tensión Ud será del orden de Uo/2 (= 230/2=115 V). Este valor es peligroso para la vida humana (el valor máximo permitido es de 50 V en ambientes secos, 24 V en ambientes húmedos y 12 V en ambientes mojados). Los reglamentos de baja tensión prevén desconectar automáticamente la parte de la instalación afectada por el defecto. ¿Como se puede hacer esto?
Dado que el defecto crea una corriente Id, la idea es medirla y que la misma accione un dispositivo automático sensible a la misma. Lamentablemente, los valores habituales de Id son bajos. Considere el ejemplo en que Ra y Rb valen 10 ohmios, con Uo (tensión fase-neutro) de 230 V. En este caso Id= Uo/(Ra+Rb)=23 A. Este valor de corriente (que sería menor si consideramos un defecto no franco) difícilmente hará reaccionar a un interruptor termomagnético. Es por esto que el uso de interruptores diferenciales, DDR, (formalmente dispositivos automáticos de corriente diferencial residual) son los que se usan en los esquemas TT para la protección contra contactos indirectos (esto último no tiene nada que ver con el uso obligatorio de los DDR de sensibilidad menor o igual a 30 mA en los tomacorrientes, circuitos de iluminación, etc., dado que en este caso se usan como protección complementaria contra los contactos directos).
¿Qué sensibilidad del interruptor diferencial usar? De la figura anterior hallamos que Ud=IdxRa. Para que ésta no supere la máxima permitida (50 V, por ejemplo), podemos plantear que IdxRa<50 a.="" a="" br="" con="" concluir="" de="" decir="" del="" detectar="" diferencial="" donde="" el="" en="" es="" esta="" figura="" funci="" i="" la="" m="" muestra="" n.="" n="" podemos="" puesta="" relaci="" se="" siguiente="" tabla="" tierra="" una="" v="" valor="" ximo="">
Figura 8: Límite superior de la resistencia de la toma de tierra Ra (de las masas), en función de la sensibilidad
del diferencial y de la tensión límite UL
Como se puede concluir, la protección contra contactos indirectos en un esquema TT mediante interruptores o relés diferenciales brinda buenos márgenes para usar distintos niveles de sensibilidad del diferencial. Esto se aplica en las industrias (y no en un hogar donde es obligatorio un diferencial de 30 mA en el tablero general) pudiéndose usar diferenciales de sensibilidad elevada (mayor a 1A, por ejemplo), con lo que, además, se limitan las corrientes de fuga y la posible aparición de incendios.
De la mano a esto último, en algunos países se imponen límites a los valores de las puestas a tierra de los consumidores (en nuestros diagramas sería Ra). Por ejemplo, la norma AEA (de Argentina) impone un valor máximo de 40 ohms.
Mas allá de esto, de lo anterior se desprende que es muy importante, en este esquema TT, verificar periódicamente el valor de la puesta a tierra de los equipos. A su vez, esto debería realizarse en los períodos menos favorables (en verano y luego de varios días de no llover) para estar seguros que, de ocurrir un falla de aislamiento, no se produzca una tensión de contacto peligrosas. Sin embargo en muy pocas plantas se considera esta prueba dentro del mantenimiento regular.
Observe que, inclusive, el buen contacto del cable de puesta a tierra a las masas de los equipos debe ser verificado como tarea de mantenimiento. Un falso contacto se traduce en un mayor valor de resistencia en el circuito a tierra, que en nuestro análisis simplificado sólo consideramos al valor de Ra. De esta forma deseamos también mostrar algunos puntos que hacen al buen mantenimiento eléctrico.
del diferencial y de la tensión límite UL
Como se puede concluir, la protección contra contactos indirectos en un esquema TT mediante interruptores o relés diferenciales brinda buenos márgenes para usar distintos niveles de sensibilidad del diferencial. Esto se aplica en las industrias (y no en un hogar donde es obligatorio un diferencial de 30 mA en el tablero general) pudiéndose usar diferenciales de sensibilidad elevada (mayor a 1A, por ejemplo), con lo que, además, se limitan las corrientes de fuga y la posible aparición de incendios.
De la mano a esto último, en algunos países se imponen límites a los valores de las puestas a tierra de los consumidores (en nuestros diagramas sería Ra). Por ejemplo, la norma AEA (de Argentina) impone un valor máximo de 40 ohms.
Mas allá de esto, de lo anterior se desprende que es muy importante, en este esquema TT, verificar periódicamente el valor de la puesta a tierra de los equipos. A su vez, esto debería realizarse en los períodos menos favorables (en verano y luego de varios días de no llover) para estar seguros que, de ocurrir un falla de aislamiento, no se produzca una tensión de contacto peligrosas. Sin embargo en muy pocas plantas se considera esta prueba dentro del mantenimiento regular.
Observe que, inclusive, el buen contacto del cable de puesta a tierra a las masas de los equipos debe ser verificado como tarea de mantenimiento. Un falso contacto se traduce en un mayor valor de resistencia en el circuito a tierra, que en nuestro análisis simplificado sólo consideramos al valor de Ra. De esta forma deseamos también mostrar algunos puntos que hacen al buen mantenimiento eléctrico.
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