La protección de personas contra contactos eléctricos

El uso de bajas tensiones de seguridad “< 25 (v)” es la solución más eficiente y radical, puesto que elimina totalmente el riesgo eléctrico, pero sólo es posible aplicar en la distribución de pequeñas potencias. En el uso normal de la energía eléctrica, diversos han sido los estudios que han permitido distinguir los diversos fenómenos eléctricos según su origen para, así poder aplicar la solución correspondiente. Los contactos o choques eléctricos se originan de dos modos diferentes:

• Por contacto directo.

• Por contacto indirecto.

Protección contra contactos directos : Se trata del contacto accidental de personas con un conductor activo o con una pieza conductora que habitualmente está con tensión. Cuando el riesgo es muy importante, la solución sencilla consiste en distribuir la energía eléctrica a una tensión no peligrosa. En BT (230/400 V), las medidas de protección consisten en poner las partes activas fuera del alcance o aislarlas mediante aislantes, envolventes o barreras. Una medida complementaria contra los contactos directos consiste en utilizar los Dispositivos Diferenciales Residuales (DDR) de alta sensibilidad “ð 30 (mA)”.

La forma de tratar los contactos directos es totalmente independiente del “ECT”, pero esta medida (la utilización de DDR) es necesaria en todos los casos de alimentación de circuitos cuyo “ECT” no se puede prever o controlar.

Protección contra contactos indirectos : El contacto de una persona con masas metálicas accidentalmente puestas bajo tensión se denomina contacto indirecto. Esta conexión accidental a la tensión es provocado por un defecto de aislamiento. Por lo cual, circula una corriente de defecto y provoca una elevación de la tensión entre la masa del receptor eléctrico y tierra, aparece una tensión de defecto que es peligrosa si es mayor a la tensión UL “Tensión de contacto máxima admisible”.

Frente a este riesgo, las normas de instalación a nivel internacional, han normado tres esquemas de conexión a tierra “ECT” y han definido las reglas de instalación y de protección correspondientes. Las medidas de protección contra contactos indirectos se apoyan en tres principios fundamentales :

• La conexión a tierra de las masas de los receptores y equipos eléctricos.

• La equipotencialidad de masas accesibles simultáneamente.

• Repaso.

Los diferentes “E.C.T.” normalizados

Los tres “ECT” normalizados a nivel internacional son :

• El esquema TN.

• El esquema TT.

• El esquema IT.

El esquema TN “puesta a neutro”

Principio.

• El neutro del transformador se conecta a tierra.

• Las masas de los receptores eléctricos están conectadas al neutro.

Este tipo de “ECT” permite tres configuraciones diferentes:

• Un único y mismo conductor sirve de neutro y de conductor de protección:

Es el esquema “TN-C”

• El neutro y el conductor de protección están diferenciados físicamente:

Es el esquema “TN-S”

• Y se puede usar también la coexistencia simultánea de estos esquemas llamado :

Es el esquema “TN-C-S”

El cual consiste en que el neutro y el conductor de protección están separados aguas abajo de una parte de una instalación hecha en TN-C.

Hay que indicar que el TN-S no puede estar aguas arriba del TN-C.

• Funcionamiento

Un defecto de aislamiento en una fase se convierte en un cortocircuito y la parte de la instalación con defecto se desconecta mediante un Dispositivo de

Protección Contra Cortocircuitos “DPCC”.

El esquema TT “neutro a tierra”

Principio

• El neutro del transformador está conectado a tierra.

• Las masas de los receptores eléctricos están también conectadas a una toma de tierra.

• Funcionamiento

La corriente de defecto de aislamiento está limitada por la impedancia de las tomas de tierra. La protección queda asegurada por los dispositivos de corriente residual “DDR”, la zona con defecto se desconecta en cuanto la corriente de defecto sobrepasa el umbral de disparo del DDR colocado aguas arriba.

El esquema IT

Principio

• El neutro del transformador no está conectado a tierra. En teoría está aislado de la tierra. Pero, está naturalmente conectado a tierra a través de las capacidades parásitas de los cables de la red y/o voluntariamente mediante una impedancia de valor elevado, aproximadamente unos 1500 ð (neutro impedante).

• Las masas de los receptores eléctricos están conectadas a tierra.

Funcionamiento

• Si se produce un primer defecto de aislamiento, se desarrolla una pequeña corriente debido a las capacidades parásitas de la red. La tensión de contacto que aparece en la toma de tierra de las masas de algunos voltios, no representa ningún peligro.

• Si se presenta un segundo defecto de aislamiento en otra fase, cuando todavía no ha sido eliminado el primero, las masas de los receptores afectados pasan al potencial producido por la corriente de defecto en los conductores de protección “CP” que los interconecta. La protección queda asegurada por los “DPCC” (caso de masas interconectadas mediante el CP) o por los “DDR” (caso de masas que tengan tomas de tierra distintas).

Elección de un ECT

Los tres “ECT” mundialmente utilizados y normalizados por la CEI 60364 tienen como objetivo la búsqueda de la mayor seguridad posible. Los tres esquemas de conexión son equivalentes, si se respetan todas las reglas de instalación y utilización.

Aunque los tres esquemas de conexión a tierra ofrecen el mismo grado de seguridad, sólo el esquema “IT”, permite continuar sin riesgo la explotación, al aparecer un primer defecto de aislamiento. Pero esta ventaja tiene ciertas exigencias y precauciones:

• La necesidad de buscar el primer defecto.

• Y la posibilidad de que aparezcan sobretensiones que puedan afectar el funcionamiento de los receptores sensibles.

Se puede mencionar que también pueden coexistir los tres “ECT” en una misma instalación eléctrica, lo que es una garantía de poder obtener la mejor respuesta a las necesidades de seguridad y de disponibilidad de servicio.

Además, se tiene que escuchar al usuario para conocer sus exigencias y sus medios

• Necesidad de continuidad en el servicio.

• Servicio atenido o no.

• Riesgo de incendio.

Sin embargo, la elección del ECT de una instalación también depende, de la seguridad de las personas, de la continuidad del suministro y de otros factores:

• El entorno : (por ejemplo, locales con riesgo de incendio o emplazamientos con caídas frecuentes de rayos).

• La compatibilidad electromagnética : (presencia en la instalación de armónicos y de campos radiantes y la sensibilidad de los equipos a estos fenómenos).

• La calidad y el costo del mantenimiento.

• Lo extenso de la instalación.

Soluciones de los “ECT”

• Para la continuidad en el servicio y servicio atendido : La solución es el ECT “IT”.

• Para la continuidad en el servicio y servicio no atendido : No hay una solución totalmente satisfactoria.

Preferir el “TT” con el cual la selectividad al disparo es más fácil de instalar y que minimiza los daños respecto al “TN”. En este ECT las ampliaciones son fáciles de hacer (sin cálculos).

• Continuidad en el servicio no obligatoria y con servicio de mantenimiento competente :

Preferir el “TN-S”. (reparación y extensiones rápidas)

• Continuidad en el servicio no obligatoria y sin servicio de mantenimiento:

Preferir el “TT”.

• Riesgo de incendio : El “ IT”, si hay servicio de mantenimiento y se emplea “DDR” de 0,5 (A).

Además se debe de tener en cuenta las especificaciones de la red y de los receptores :

• Redes muy extensas o con una gran corriente de fuga :

Preferir el “TN-S”

• Utilización de alimentaciones de emergencia y de socorro :

Preferir el “TT”

• Receptores sensibles a grandes corrientes de defecto (motores) :

Preferir el “TT” o el “IT”

• Receptores con bajo aislamiento natural (hornos) o con filtros de HF importantes (grandes ordenadores) :

Preferir el “TN-S”

• Alimentación de sistemas de mando y control :

Preferir el “IT” (continuidad en el servicio).

Preferir el “TT” (mejor equipotencialidad de los aparatos de comunicaciones).

Naturaleza del aislamiento

• La impedancia en modo común

Toda red eléctrica presenta una impedancia respecto a tierra que se denomina “impedancia de modo común”, cuyo origen está en el aislamiento de los cables y de los receptores de la red. Esta impedancia se compone de la resistencia y la capacidad de fuga entre cada conductor activo y tierra.

En BT, la resistencia de fuga de un conductor es, para una fase y por kilómetro, del orden de 10 Mð, mientras que su capacidad, uniformemente repartida respecto a tierra, es, aproximadamente de 25 µF, o sea, 12,7 kð a 50 Hz.

Por otra parte, hay que destacar que en MT y en AT esta capacidad de fuga es todavía más importante y debe de ser necesariamente tenida en cuenta al efectuar los estudios de un plan de protección. También los receptores tienen una capacidad natural de fuga, que suele ser despreciable.

• Incidencia de la capacidad distribuida en el esquema IT

En las instalaciones eléctricas se añaden otras capacidades a las de los cables de la red. Esto sucede con ciertos receptores electrónicos que generan “corrientes armónicas” de AF. Por otra parte, las normas relativas a la compatibilidad electromagnética obligan a que estas corrientes de AF se deriven a tierra, de ahí la presencia de filtros, y por tanto de condensadores, entre fases y masa. Según el número de estos receptores, su contribución a la “capacidad de fuga” de una red puede resultar significativa y hasta importante. Diversas medidas efectuadas en diversas redes eléctricas de potencia ponen de manifiesto que la capacidad varía mucho de una red a otra y se sitúa entre algunos µF y varias decenas de µF. Por tanto, una red “IT” deberá presentar una capacidad limitada respecto a tierra y, durante el diseño de la red, deberá tenerse en cuenta la presencia de receptores equipados con filtros AF.

El primer defecto de aislamiento en el esquema IT

En condiciones normales de explotación, la seguridad de las personas queda asegurada cuando la tensión de contacto es < 25 (v). Cuando se sobrepasa esta tensión de seguridad, las normas obligan a que el circuito abra automáticamente. Así se explica por qué la explotación de una red con ECT “IT” permite que no haya disparo con el primer defecto de aislamiento.

Cálculo de las corrientes de defecto y de la tensión de contacto con un primer defecto

Caso general (defecto resistivo)

Cuando se produce un defecto de valor resistivo Rd entre la fase 3 y tierra, circula una corriente de defecto ðd, a través de la impedancia de neutro y de las capacidades C1, C2 y C3. Con la hipótesis de que las capacidades fase-tierra estén equilibradas (C1 = C2 = C3 = C), la corriente de defecto tiene el valor:

La tensión de contacto Uc (tensión de contacto entre la masa del aparato con defecto y otra masa o tierra) se calcula a partir de la corriente de defecto Id que circula a través de la resistencia de la toma de tierra Ra de las masas de utilización si éstas no están interconectadas; en caso contrario se utiliza Rb (sólo la toma de tierra de red): Uc = Ra . Id.

Caso de defecto franco

En este apartado, los cálculos se hacen para la configuración que provoca la tensión de contacto (Uc) más importante, por tanto, para un defecto que se produzca en una masa con la toma de tierra separada de la de Zn. Aplicando las fórmulas anteriormente citadas, con Rd = 0, se tiene:

En los casos siguientes, estudiados para Zn = ð (neutro aislado) y Zn = 1 kð (neutro impedante), los cálculos se efectúan para una red con esquema IT, de 400 Vca (U0 = 230 V), con: RA: resistencia de la toma de tierra = = 10 ðð

Rd: valor del defecto de aislamiento de 0 a 10 kð.

• Caso 1º:

Red muy poco capacitativa (por ejemplo limitada a un quirófano)

C1 = C2 = C3 = C = 0,3 µF por fase.

• Caso 2º:

Red de potencia, con

C1 = C2 = C3 = C = 1,6 µF por fase.

• Caso 3º:

Red extensa de potencia, con

C1 = C2 = C3 = C = 10 µF por fase, ¡o sea, alrededor de 40 km de cables!

La curva representa los resultados mostrando la gran importancia que tiene el valor de la capacidad de la red en el valor de Uc. De hecho, sea cual sea la capacidad repartida de la “red sana” o con un primer defecto, cualquier usuario puede recordar que esta tensión resulta siempre inferior a la convencional de seguridad, y por tanto, sin peligro para las personas; además, las corrientes de un primer defecto franco son bajas y en consecuencia poco destructivas y poco perturbadoras.

El segundo defecto de aislamiento en el esquema IT

La gran ventaja de explotar una red con el esquema “IT” consiste en la posibilidad de mantener la distribución eléctrica cuando se produce un 1° defecto de aislamiento que afecta a un circuito.

Se estudian las corrientes de defecto y la tensión de contacto que dependen de la forma de conexión de las masas a tierra, pudiéndose dar dos casos :

• Las masas de los receptores están todas interconectadas mediante un conductor de protección CP, que es el caso más frecuente.

• Las masas no están interconectadas y se conectan a tomas de tierra diferentes (configuración que hay que evitar debido a problemas de compatibilidad electromagnética).

Eliminación del doble defecto de aislamiento

• Caso con las masas de utilización interconectadas.

Teniendo en cuenta la importancia de la corriente de defecto, semejante a una corriente de cortocircuito, la desconexión puede quedar asegurada por los dispositivos de protección automática contra cortocircuitos “DPCC”, si la longitud de los conductores es compatible con sus umbrales de funcionamiento y si no, con los dispositivos diferenciales “DDR”.

Esta eliminación del defecto doble debe de hacerse respetando también otros imperativos que se aplican independientemente del tipo de “DPCC” instalado (fusibles o interruptor automático).

• Las tensiones de contacto, con cualquier “DPCC”, dejan pasar un cierto tiempo antes de eliminar el defecto.

Posibles consecuencias :

• Cortar únicamente la fase defectuosa de una derivación deja las máquinas trifásicas alimentadas con sólo dos fases.

• Cortar el neutro expone a la tensión compuesta las cargas monofásicas, que en condiciones normales se alimentan con la tensión simple.

• La protección del conductor neutro, cuando se distribuye

Aquí se muestra que con un defecto doble, los dos DPCC ven pasar la corriente de defecto. Esto obliga a un control especial de las características de los “DPCC”, puesto que si los conductores de las dos derivaciones son de secciones semejantes, los dos “DPCC” participan por igual en el corte, pero si las secciones son diferentes, es posible que el corte lo efectúe uno solo de los “DPCC” precisamente el de menor calibre.

Por este motivo, los fabricantes de interruptores automáticos indican los poderes de corte monofásico de sus aparatos según cada tensión nominal. La protección debe de ser válida también para el conductor neutro, cuando su sección es inferior a la de los conductores de fase.

Hay que indicar que, para proteger los cables de neutro cuya sección sea la mitad que la sección de los cables de fase, existen interruptores automáticos tetrapolares en los que el cuarto polo tiene la mitad de calibre. También hay que destacar que los “DPCC” tetrapolares son cada vez más necesarios y con cualquier “ECT” (sea el TN, TT o el IT) debido a la proliferación de armónicos en las redes, pudiendo quedar el neutro sobrecargado con las corrientes del tercer armónico y sus múltiplos.

Características especiales del esquema IT

• Sobretensiones en el esquema IT

Una red eléctrica puede estar sometida a sobretensiones de diversos orígenes. Ciertas sobretensiones de modo diferencial (entre conductores activos) afectan indistintamente a todos los “ECT”.

• Las sobretensiones debidas a defectos de aislamiento.

• Las sobretensiones debidas a cebados internos en los transformadores MT/BT.

• Las sobretensiones debidas a descargas de rayos en las redes MT aguas arriba, las sobretensiones debidas a descargas de rayos en los edificios de la instalación.

Las sobretensiones debidas a defectos de aislamiento

Ante un primer defecto de aislamiento, la tensión fase-tierra de las fases sanas pasa a tener, permanentemente, la tensión compuesta de la red. Los equipos BT deben de estar dimensionados para soportar, durante el tiempo de búsqueda y reparación del defecto, una tensión fase/masa de U0 "3 y no la tensión simple U0.Éste es habitualmente el caso de:

• Los filtros capacitativos que tienen muchos aparatos electrónicos.

• El CPA de la instalación, cuando se conecta entre fase y tierra, porque no se dispone de neutro.

• Al presentarse un primer defecto, aparece una sobretensión cuyo valor puede alcanzar (2,7 x"2 U0), siendo U0 la tensión simple de la red BT.

Con una red de 230/ 400 V, este valor es de 880 (v), valor de sobretensión que no es peligroso para el equipamiento, cuyo aislamiento es de 1800 (v), que es el valor que se exige el lado de BT para industrias.

La sobretensiones debidas a defectos de aislamiento con arcos intermitentes

Los defectos con arcos intermitentes (defectos de recebados o defectos intermitentes), se comportan como una sucesión de defectos que se extinguen espontáneamente por sí mismos.

Los defectos de recebados pueden producir sobretensiones y provocar la destrucción del equipamiento. Este tipo de sobretensiones se observan sobre todo en las redes MT explotadas con conexión a tierra mediante una reactancia de limitación sintonizada.

Las sobretensiones debidas a un cebado interno en el transformador MT/BT

• cebado interno entre arrollamientos MT-BT : Son poco frecuentes y su aparición brusca hace que el limitador de sobretensión, ponga inmediatamente la red BT a tierra y evite que alcance el potencial MT.

• Cebado interno MT-masa, también llamado “cebado de retorno”

Cuando la masa del transformador y la red BT se conectan a la misma toma de tierra hay riesgo de perforación de los materiales BT si la tensión sobrepasa la rigidez dieléctrica de los equipos. Una solución consiste en conectar las masas de la instalación BT a una toma de tierra eléctricamente distinta de la de las masas del centro de transformación. Pero esta separación es, en la práctica, difícilmente factible debido al mallado de las masas en el centro de transformación MT/BT.

Las sobretensiones debidas a la descarga de rayo en la red MT aguas arriba

El rayo que cae en una red MT provoca una onda que se transmite a los conductores activos del lado de BT por un acoplamiento capacitativo entre los arrollamientos del transformador. Si la instalación es en “IT”, el limitador de sobretensión absorbe la sobretensión que llega al conductor activo al que está conectado (neutro o fase) y se pone en cortocircuito si esta sobretensión es muy energética; la red se puede comparar entonces a una red TN- S. Diversas experiencias y medidas han permitido llegar a las siguientes conclusiones:

• En el extremo de los cables de corta longitud (10 m) aparecen sobretensiones del orden de 2 (kV), independientemente de la carga y del “ECT”.

• Las sobretensiones más importantes son las que aparecen en los extremos de los cables que alimentan cargas que pueden provocar resonancia. Además, con un receptor resistivo, hay sobretensiones que resultan de los fenómenos de propagación y reflexión de ondas así como del acoplamiento capacitativo entre conductores. Independientemente del ECT, es muy recomendable instalar pararrayos en el origen de la red BT, entre todos los conductores activos y tierra si en la red aguas arriba existe el riesgo de descarga de rayo directa (caso de líneas aéreas) y obligatoriamente si este riesgo existe para la misma red BT. El limitador de sobretensión cumple su función frente a los cebados MT/BT.

Sobretensiones debidas a la descarga de rayo en los edificios de la instalación

Esta sobretensión se debe al paso de corriente de un rayo, por la toma de tierra del edificio, especialmente cuando la descarga se produce directamente en su pararrayos. En este momento, toda la red de tierra eleva su potencial respecto a la tierra.

La red BT, puesta instantáneamente a tierra por el limitador de sobretensión, pasa del esquema IT al esquema TN-S si todas las masas de utilización están interconectadas. La energía de rayo derivada de esta forma puede ser muy importante y necesitar el cambio del limitador. Para minimizar estas sobretensiones en una instalación eléctrica, es necesario que la equipotencialidad horizontal y vertical del edificio sea la mejor posible tanto en baja como en alta frecuencia. Es muy recomendable que exista un solo circuito de tierra (red CP) y también es muy importante que se utilicen canaletas metálicas para los cables muy bien interconectadas eléctricamente.

INACAP

VALPARAISO

Fecha : 11 de diciembre de 2003

INTRODUCCION

Este informe da a conocer en primer lugar los dos tipos de contactos que existen y la protección contra estos, que se puedan presentar en algún caso determinado. Con esta breve explicación de los peligros de los “contactos directos e indirectos”. Daremos a conocer los distintos tipos de esquemas de conexión a tierra, los cuales aseguran una protección permanente a los individuos que puedan hacer contacto con una falla determinada.

Los diferentes esquemas de conexión o “ECT” ; están en este informe, el cual les dará una explicación breve y concisa de su funcionamiento. También se demuestra claramente las diferencias entre unos y otros, tanto en sus aplicaciones y funcionamiento. Cada uno de estos ECT viene con esquemas de conexión en las redes para así conseguir un mejor entendimiento del mismo.

Además, se explica como elegir correctamente un ECT, lo cual muchas veces resulta muy difícil, puesto que hay diferentes clases de fallas en un sistema eléctrico. También se entrega una breve información sobre algunas de los soluciones para diversas fallas que pudiesen presentarse en un sistema determinado, puesto que las necesidades de los usuarios son diversas.

A la vez se entrega la información necesaria con respecto a las impedancias y capacitancias que hay en las líneas o redes, tanto en BT y MT.

Se le da una gran importancia en especial al esquema “IT” , puesto que tiene un mejor rendimiento en la continuidad del suministro con respecto a los demás.

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