Cuaderno Técnico nº 177 - Alfa Centauro Electric

Cuaderno Técnico nº 177

Perturbaciones en los sistemaselectrónicos y esquemas deconexión a tierra

J. Delaballe

Cuaderno Técnico Schneider n° 177 / p. 2

La Biblioteca Técnica constituye una colección de títulos que recogen las novedades electrotécnicasy electrónicas. Están destinados a Ingenieros y Técnicos que precisen una información específica omás amplia, que complemente la de los catálogos, guías de producto o noticias técnicas.

Estos documentos ayudan a conocer mejor los fenómenos que se presentan en las instalaciones, lossistemas y equipos eléctricos. Cada uno trata en profundidad un tema concreto del campo de lasredes eléctricas, protecciones, control y mando y de los automatismos industriales.

Puede accederse a estas publicaciones en Internet:http://www.schneiderelectric.es

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La colección de Cuadernos Técnicos forma parte de la «Biblioteca Técnica» del Schneider Electric.

Advertencia

Los autores declinan toda responsabilidad derivada de la incorrecta utilización de las informaciones y esquemasreproducidos en la presente obra y no serán responsables de eventuales errores u omisiones, ni de las consecuenciasde la aplicación de las informaciones o esquemas contenidos en la presente edición.

La reproducción total o parcial de este Cuaderno Técnico está autorizada haciendo la mención obligatoria:«Reproducción del Cuaderno Técnico nº 177 de Schneider Electric».

Por: Jacques DelaballeTrad.: José Mª Giró

Edición francesa: noviembre 2002Versión española: setiembre 2003

Jacques DELABALLE

Doctor por la Universidad de Limoges en 1980, entra enMerlin Gerin en 1986 después de siete años pasadosen Thomson.Fue delegado de normalización después de haber sidoresponsable del laboratorio CEM del centro de ensayosSchneider Electric. Fue también Secretario delsubcomité 77B (fenómenos de alta frecuencia) de laComisión Electrotécnica Internacional (CEI).

Cuaderno Técnico no 177

Perturbaciones en los sistemaselectrónicos y esquemas de conexióna tierra


BT:Baja Tensión.CEI:Comité Electrotécnico Internacional.CEM:Compatibilidad Electromagnética.CPA:Controlador Permanente de Aislamiento.DDR/AS:Dispositivo Diferencial de corriente Residual deAlta Sensibilidad (≤ 30 mA).DDR/BS:Dispositivo Diferencial de corriente Residual deBaja Sensibilidad.DDR/MS:Dispositivo Diferencial de corriente Residual deMedia Sensibilidad.DLD:Dispositivo de Localización de Defectos.

Terminología

DPCC:Dispositivo de Protección Contra Cortocircuitos.ECT:Esquema de Conexión a Tierra también llamado«régimen de neutro» (anexo).Electrización:Apliación de una tensión entre dos partes delcuerpo.Electrocución:Electrización que provoca la muerte.I∆∆∆∆∆n:Valor de ajuste del umbral de funcionamiento deun DDR.MT:Media Tensión (1 a 35 kV, según CENELEC).SEC:Sistemas Electrónicos/digitales Comunicantes.


Perturbaciones en los sistemas electrónicosy esquema de conexión a tierra

Hoy en día, la electrónica de potencia y el proceso de señales (analógicas ydigitales) está omnipresente en todo tipo de edificios.La informática, la automática, los sistemas jerárquicos de mando y control tiendentodo un «manto» alrededor de las redes eléctricas que los alimentan.Si los receptores no lineales (rectificadores, variadores de velocidad, troceadores,fuentes de alimentación conmutada...) son perturbadores, los sistemas electrónicosde señal o «corriente débil» son agredidos por perturbaciones e interferenciaseléctricas y magnéticas de todo tipo.La elección del esquema de conexión a tierra –ECT– no es independiente para lossistemas electrónicos, especialmente cuando se utilizan líneas digitales (buses)para comunicaciones.Este Cuaderno Técnico, después de un análisis de las perturbaciones que existenen las instalaciones BT, aporta su luz sobre las ventajas e inconvenientes de losECT en cuanto a la coexistencia de «corrientes fuertes» y «corrientes débiles».

Índice

1 Introducción p. 62 Perturbaciones originadas 2.1 Corrientes telúricas p. 7

fuera de la redes BT 2.2 Corrientes vagabundas de tierra de 50 Hz p. 72.3 Corrientes de descarga en los transformadores MT/BT p. 72.4 Sobretensiones de maniobra en redes de MT p. 82.5 Tensiones armónicas p. 82.6 Tensiones y corrientes de rayo p. 82.7 Perturbaciones de AF p. 9

3 Las perturbaciones originadas 3.1 Corrientes y tensiones armónicas p. 10dentro de las redes BT 3.2 Sobretensiones de maniobra (modo diferencial) en la red BT p. 11

3.3 Grandes corrientes de defecto p. 114 La coexistencia de «corrientes 4.1 Limitación de las perturbaciones emitidas p. 12

fuertes» - «corrientes débiles» 4.2 Reducción de los acoplamientos p. 134.3 Masas y tierras p. 164.4 Sistema ideal de tierra y de masa p. 17

5 Los ECT y los sistemas electrónicos5.1 ECT, SEC y perturbaciones en baja frecuencia -BF- p. 18de comunicantes (SEC) 5.2 ECT, SEC y perturbaciones en alta frecuencia -AF p. 19

6 Conclusión p. 24Anexo 1: Los ECT según la CEI 60364 p. 25Anexo 2: Ejemplo de preparación de un local libre de perturbaciones electromagnéticas p. 27Bibliografía p. 29


Una señal eléctrica se caracteriza: por su frecuencia, por su tensión, por su intensidad.

En las grandes redes de los paísesindustrializados, la frecuencia es perfectamenteestable. Puede variar en la isla de unainstalación privada cuando se emplean fuentesde alimentación de sustitución, pero estavariación no tiene efecto notable en losregímenes de neutro ni en los equipos deprotección que necesitan.La frecuencia sea 50 ó 60 Hz no esdeterminante; en cambio, en ciertas redes quedistribuyen la potencia a 400 Hz, hay que teneren cuenta la influencia de las capacidades defuga a tierra en la elección del ECT.

1 Introducción

Las corrientes y tensiones presentes en lasinstalaciones eléctricas, en circunstanciasnormales y en el caso de defecto de aislamiento,son esencialmente variables en valor y en formade onda, pudiendo apartarse ésta mucho de lasinusoide. Esto es especialmente en lascorrientes que resultan de un defecto deaislamiento aguas abajo de un convertidorestático (Cuaderno Técnico nº 114).Los fenómenos que deforman o perturban lasinusoide «de red» tienen orígenes diversos y,según el ECT, pueden introducir perturbacionesde diversa naturaleza no sólo en la distribuciónde BT sino también en los sistemas electrónicoscomunicantes.Existen tres ECT definidos por la publicaciónCEI 60364 y, en Francia, por la normaNF C 15-100; se analizan también en losCuadernos Técnicos nº 172 y 173 y en elresumen que se hace en el anexo 1.


2 Perturbaciones originadas fuera de las redes BT

Se trata de corrientes de frecuencia inferior a50 Hz, debidas a las tormentas magnéticassolares. Circulan por la tierra profunda. Puedenperturbar las protecciones de líneas de

2.1 Corrientes telúricas

Tienen su origen en los defectos de aislamientode las redes de MT o AT, explotadas en régimende neutro impedante a tierra, pero también enciertas instalaciones de tracción eléctrica cuyacorriente de retorno pasa por tierra. Por tanto,hay que prestar especial atención a lasinstalaciones BT situadas en la proximidad decentros de transformación MT/BT y de líneasférreas electrificadas.

2.2 Corrientes vagabundas de tierra de 50 Hz

Su intensidad depende del ECT de la red MT.Su efecto (sobretensión) depende de lainterconexión de las masas de los receptores BTcon la toma de tierra del neutro (figura 1).Así, en un esquema TT, para evitar unadescarga de retorno de los materiales BT, laresistencia Rb deberá ser inferior a:

I TM

2U 1000Rbh+

=

2.3 Corrientes de descarga en los transformadores MT/BT

transporte, pero no son perjudiciales para lasredes de BT, que no suelen ser muy largas yademás sin efecto cuando no tienen más queuna toma de tierra.

Pueden provocar perturbaciones por impedanciacomún en el funcionamiento de las líneas de«corriente débil», geográficamente repartidas,sobre todo si estos sistemas no tienen unareferencia de potencial única (varias tomas detierra).Hay que destacar que las corrientes erráticas hansido la causa del abandono de los relésvoltimétricos de tierra sensibles a la tensión dedefecto.

Hay que destacar que la publicación CEI 60364sustituye 2U + 1000 V por U + 1200 V, en TT yTN, y por 3 U + 1200 V en IT; indica también,por otra parte, que esta sobretensión máxima nodebe durar más de 5 segundos.En régimen TN, para evitar el riesgo de«contacto indirecto», es necesario que el edificiosea totalmente equipotencial (Ej.: edificios degran altura). Sucede lo mismo en el régimen ITen el momento de la descarga (puesta encortocircuito) del limitador de sobretensión, si Rby Ra son la misma.

b - En TN Las masas de todos los receptores pasan a estar a un potencial Rb.Ih respecto a tierra; por tanto, hay peligro de contacto indirecto.

Ih

Rb

3 3

Rb.Ih

MT/BT

a - En TT Los conductores activos pasan a estar a un potencial Rb.Ih respecto a tierra; por tanto, hay peligro para los receptores.

Ih

Rb

3 3

Rb.Ih

MT/BT

Ra

Fig. 1: Riesgos derivados de una descarga MT - BT en el transformador.


Las sobretensiones con origen en MT quedanmuy atenuadas debido a lo estrecho de la bandapasante del transformador MT/BT (en modo

2.4 Sobretensiones de maniobra en redes de MT

Los generadores de armónicos que hay en casade los abonados perturban la red de MT. Comoconsecuencia de esto se produce unadeformación de la onda de tensión MT y, portanto, de la de BT.Los receptores BT de un abonado no perturbadorabsorben, por tanto, corrientes armónicas; portanto, las corrientes armónicas que resultan deun defecto de aislamiento, está tambiéndeformadas.Hoy en día, los distribuidores de energía eléctricaestán muy preocupados por el deterioro de laonda de MT, a pesar de que los transformadores

2.5 Tensiones armónicas

diferencial). Sus posibles efectos sonindependientes de la elección del ECT de lainstalación BT.

estrella-triángulo (Dy11) no transmiten el tercerarmónico y sus múltiplos de la BT a la MT...La tabla de la figura 2 da los valores deperturbación armónica máximos admitidos porElectricité de France; la norma EN 50160 da losmismos valores, salvo para el tercer armónico ysus múltiplos.

Recordemos que: n

1

Y(%) 100Y

=τ

En las redes BT privadas es frecuente encontrarvalores de tensión y corriente armónicas muchomás altas.

armónicos impares armónicos impares armónicos paresno-múltiplos de 3 múltiplos de 3

rango tensión rango tensión rango tensiónarmónico armónico % armónico armónico % armónico armónico %

BT/MT BT/MT BT/MT

5 6 3 1,5 2 27 5 9 0,3 4 111 3,5 15 0,2 6 0,513 3 21 0,2 8 0,517 2 > 21 10 0,519 1,5 12 0,223 1,5 > 12 0,225 1,5> 25 02+0,5*25/h

La EDF (Electricidad de Francia) ha adoptado estos valores límite, que pueden parecerrelativamente severos, a partir de las medidas realizadas en las redes, y que corresponden aniveles de armónicos para los que los aparatos perturbados y perturbadores coexisten en lared en condiciones aceptables.

Fig. 2: Valores de perturbaciones armónicas de la tensión admitidas en las redes de distribución MT y BT.

Cuando se produce una caída de un rayo,directa o indirecta, sobre una línea aérea quealimenta un centro de transformación MT/BT loslimitadores de sobretensiones situados a laentrada MT del centro de transformación limitanla onda de tensión y derivan la corriente de rayo(Cuaderno Técnico nº 168).

2.6 Tensiones y corrientes de rayo

La onda de tensión, en modo común, estransmitida sobre los arrollamientos BT deltransformador por las capacidades parásitasentre los arrollamientos MT y BT. Esta onda,cuyo valor no suele sobrepasar los 6 kV,aparece simultáneamente en todos losconductores activos.


La puesta a tierra del neutro (directa en TT oTN, o a través del limitador de sobretensión, enIT) no puede atenuar más que la sobretensiónque aparece en el neutro y provoca la apariciónde una sobretensión en modo diferencial (entreneutro y fases).Si hay riesgo de sobretensión será muyconveniente instalar limitadores desobretensiones entre todos los conductoresactivos y tierra, sea el que sea el ECT (CuadernoTécnico nº 179).Las conexiones deben de ser lo más cortasposible:

∆U = LωÎ,con L = 1 µH/m; ω = 2,2/tm, siendo tm el tiempode subida de la corriente.La derivación a tierra de la corriente de rayocrea sobretensiones en la red BT de modosimilar al caso de la descarga del transformador(figura 1), aunque normalmente con unaatenuación, debida a las capacidades parásitasen función del recorrido de la onda en la red.Recordemos que las normas francesas definencuatro niveles de tensión nominal de rigidezdieléctrica de los materiales eléctricos (ensayocon onda 1,2/50 µs): 1,5 - 2,5 - 4 y 6 kV.

Además de las «descargas de rayo», losemisores de ondas hertzianas (radio, TV, CB,walkies talkies, GSM) generan camposelectromagnéticos permanentes o transitorios.Las maniobras normales o con cortocircuito delos aparatos de corte generan camposelectromagnéticos de tipo impulsional. Porejemplo, se han encontrado campos de 40 kV/ma una distancia de 1 metro de una celda de MT.

2.7 Perturbaciones de AF

Los campos permanentes, transitorios oimpulsionales se convierten, por efecto antena olazo, en parásitos conducidos. Estos parásitospueden perturbar, y hasta deteriorar, en losequipos electrónicos autónomos (si suinmunidad es insuficiente) y en los sistemaselectrónicos de comunicaciones (si lasconexiones de «corrientes débiles» están malhechas).


3 Las perturbaciones originadas dentro de la propia red BT

Los receptores industriales (convertidoresestáticos...), terciarios (iluminación fluorescente,material informático...) y hasta los domésticos(microondas, televisores...) son cada vez másgeneradores de armónicos (figura 3).

Iluminación fluorescenteLa norma francesa NF C 71-212 fija los valoresmáximos de la tasa de armónicos emitidos:

armónicos de 3er orden: 25%,armónicos de 5º orden: 7%,armónicos de 7º orden: ... %.

La norma EN 55015 indica los niveles deperturbaciones radiadas que no hay quesobrepasar. La norma francesa NF C 71-100 fijaen 1 mA la corriente máxima de fuga a tierra (através del conductor CP).

Rectificadores de puente de GraëtzAunque la norma CEI 60146-4 indica lascorrientes armónicas que producen losrectificadores, no existe todavía una norma quefije los niveles que no han de sobrepasar(Cuadernos Técnicos números 152 y 160).

Fuentes de alimentación conmutadas (pormodulación de ancho de impulso)Estos convertidores, dada la frecuencia deconmutación 10 a 30 kHz, generan corrientesarmónicas de frecuencia muy elevada queconviene atenuar (filtros AF).Son varios y perjudiciales los efectos de lascorrientes armónicas:

Si uno o varios receptores generan corrientesdel tercer armónico y sus múltiplos (3 k), éstos,en ausencia de defecto, se suman y circulan porel neutro. Si el neutro es común con el CP(esquema TN-C), esta corriente provoca unavariación del potencial de masa que puede serperjudicial a los receptores sensibles (tensionesparásitas en modo común respecto a tierra).

Al producirse un defecto de aislamiento en unreceptor, que es a su vez generador decorrientes armónicas (convertidores estáticos),la onda de corriente de defecto tiene una formamuy variable que depende del esquema y delpunto de defecto.

Las corrientes de defecto de aislamientocon armónicos pueden ser causa de malfuncionamiento de las protecciones. La soluciónsería:

3.1 Corrientes y tensiones armónicas

en TN e IT, los interruptores automáticosdeberán tener un térmico sensible a la corrienteeficaz real (valor RMS),

en TT, los DDR deberán ser de clase A(aptos para funcionar con corrientes pulsantes odeformadas).

Fig. 3: Ejemplos de espectros de armónicos dereceptores.

65

35

25

15

5

0,00

0

5 10 15 20 25

%

%

73

52

25

167

a - Fuente conmutada

Variador de velocidad trifásico

5 7 11 13 17 19


3.2 Sobretensiones de maniobra (modo diferencial) en la red BT

Se producen principalmente por el corte decorrientes normales o de defecto, por ejemplo,durante:

la apertura de circuitos de mando decontactores y relés, si no están equipados confiltros RC;

el corte de corrientes de cortocircuitomediante los DPCC con tensión de arco muyelevada (ciertos fusibles); hay que destacar que

el corte de la corriente de un defecto deaislamiento en régimen TN puede provocar unasobretensión de modo común.Estas sobretensiones pueden perturbar elfuncionamiento de cierto aparellaje sensible...incluidos los equipos de protección con fuenteauxiliar que, por construcción, deberían de estarinmunizados.

Se trata esencialmente de corrientes decortocircuito entre conductores activos (o através del CP en TN, o debidas a un segundodefecto en IT).Si los diversos conductores son unifilares y noagrupados, el campo magnético que radianentonces los conductores activos (y el CP en TN

3.3 Grandes corrientes de defecto

e IT), puede provocar funcionamientosintempestivos en los equipos electrónicospróximos a las canalizaciones eléctricas o concables de entrada/salida de «corriente débil».En la tabla de la figura 4 se presenta unresumen de las perturbaciones y de sus efectosen función del ECT.

perturbaciones efectoscorriente de tierra creación de una diferencia de potencial de TN : riesgo nulo para personas y circuitos electrónicos

BF entre dos tomas de tierra alejadas TT : riesgo nulo si hay una sola toma de tierra de utilizaciónIT : ídem TT

descarga MT/BT en tensión de modo común para redes de TN : riesgo para personas si la equipotencialidad del edificioel transformador BT (RB .IhMT) no es total

TT : riesgo para los materialesIT : ídem TN cuando el limitador de sobretensión se

cortocircuitarayo en MT transmisión capacitativa a la red BT TN : riesgo para el material en modo diferencial

TT : ídem TNIT : ídem TN; el limitador sólo actúa en un conductor activo

corrientes armónicas corriente del 3er armónico y múltiplos en TN : no equipotencialidad del CPN en TN-Cen redes BT el neutro TT : sin problemas

IT : sin problemascorrientes de defecto campo magnético TN : riesgo para los materiales sensibles y/o decomunicaciones de aislamiento caída de tensión en CP TT : sin problemas

IT : ídem que en TN, si hay defecto doble

Fig. 4: Principales perturbaciones y sus efectos, según el ECT.


4 La coexistencia de «corrientes fuertes» - «corrientes débiles»

Hoy en día, la electrónica está por todas partes:en los captadores, en los accionadores, en lossistemas de control y mando de los procesos,de los edificios y de la distribución eléctrica.Todos estos equipamientos están alimentadospor la red de BT y no deben de ser sensibles alas diversas perturbaciones antes citadas.Los fabricantes «responsables» saben inmunizarmuy bien los aparatos, en otras palabras,controlar su susceptibilidad a los fenómenoselectromagnéticos. Para ello, toman comoreferencia las normas de compatibilidadelectromagnética, por ejemplo, la CEI 61000(Cuaderno Técnico nº 149).Paralelamente, la normalización tiende aminimizar las perturbaciones emitidas por losperturbadores; citemos a título de ejemplo, lanorma CISPR 11.

Por tanto, la coexistencia normalizada entreaparatos perturbadores y aparatos perturbadosno está resuelta puesto que en el controleléctrico quedan cuestiones como:

¿cómo se comporta una instalación eléctricacomo perturbadora?... o sea, son determinantes tanto el modo derealizar las instalaciones como el ECT que seescoja.

con este planteamiento ¿cómo atenuar lasseñales perturbadoras y sus efectos sobre losmateriales sensibles (electrónicos)?... Es el problema de la correcta coexistenciaentre electrotecnia y electrónica, en otrostérminos, entre «corrientes fuertes» y «corrientesdébiles». Para que esta coexistencia sea buena,hay que minimizar las perturbaciones de lasfuentes perturbadoras y evitar los acoplamientosentre la fuente y la víctima potencial.

4.1 Limitación de las perturbaciones emitidas

Como hemos visto en los capítulos anteriores,hay varios tipos de perturbaciones y pueden serde modo común o de modo diferencial, de bajao alta frecuencia, conducidas o radiadas (tablade la figura 5). Para limitarlas hay variassoluciones posibles:

En MT:

utilizar limitadores de sobretensiones de óxidode zinc y conectarlos con un cable lo más cortoposible a una toma de tierra distinta de la delneutro BT, para limitar las sobretensiones de rayo,

limitar las corrientes homopolares MT yreducir al mínimo la resistencia de la toma detierra del neutro BT, para evitar las descargas deretorno, si hay varias tomas de tierra,

utilizar transformadores MT/BT en los que elacoplamiento bloquee ciertas corrientesarmónicas, para limitar las perturbaciones porarmónicos.En el origen de la red de BT:

evitar conectar la toma de tierra del neutrocon la del transformador y de los pararrayos(método utilizado en Francia para los centros detransformación aéreos, situados en postes, endistribución aérea rural),

instalar limitadores de sobretensiones en elorigen de la red BT, conectados de la forma máscorta posible a la toma de tierra del neutro paralimitar las sobretensiones de rayo que pasan através del transformador,

modo común modo diferencialperturbaciones BF subida de potencial de la red BT corrientes y tensiones armónicas

(descarga MT/BT) corrientes de cortocircuito fuerte corriente de defecto en el CP armónicos de 3er rango en el CPN toma de tierra Ra de valor demasiado alto en TT

perturbaciones AF sobretensión y corriente de rayo sobretensión y corriente de rayo sobretensión de maniobra AT corte de una Icc por un DPCC con

gran tensión de arco

Fig. 5: Los diversos tipos de perturbaciones según el modo y la frecuencia.


evitar el ECT TN-C porque el CPN transportacorrientes armónicas (tercer armónico y susmúltiplos) perturbando así la referencia depotencial, que es el CP, para los equiposelectrónicos.En la red BT:Para minimizar los campos magnéticos radiados:

evitar, tanto como se pueda, el empleo decables unipolares que generan, en caso decortocircuito, un campo magnético importante,

no separar el CP de los conductores activos,o mejor, utilizar cables que integren el CP,

no utilizar cables blindados cuya envolventeconstituye el CP o cables situados en tubos deacero que sirve de conductor de protección, (elcampo radiado por los conductores activos sebloquea y el CP genera un campo magnético),

privilegiar los ECT que minimizan lascorrientes de defecto de aislamiento (reducciónde campo magnético),

minimizar la corriente de conexión decondensadores (resistencias o autoinduccionesde choque),

en IT, si la red es corta, utilizar unaimpedancia (neutro impedante) para «fijar» elpotencial de neutro a tierra,

colocar los cables de potencia encanalizaciones metálicas para cables vigilandola continuidad de este «plano de masa» y suconexión con la conexión equipotencial principal(con trazado horizontal y vertical); esto minimizamucho la radiación electromagnética.

«colocar trampas» a las sobretensiones: poniendo circuitos RC en las bobinas de los

contactores, relés..., protegiendo los equipos sensibles con

limitadores de sobretensión o descargadores.

A nivel de receptores

Todos los materiales eléctricos son objeto denormas que limitan la emisión de parásitos deAF y BF cuando están conectados a redespúblicas de distribución BT.Existen numerosas soluciones para minimizar lascorrientes armónicas: filtros pasivos o activos,convertidores estáticos con muestra senoidal,...

4.2 Reducción de los acoplamientos

No todas las perturbaciones se pueden atenuaren la fuente de alimentación; para evitar fallosde funcionamiento de los equipos electrónicos,hay que minimizar la transferencia entre elemisor y su víctima. Existen numerosos tipos deacoplamiento posibles y para explicarlostomemos el ejemplo de la corriente de rayo(figura 6b).

Cuando cae un rayo en una línea aérea de MT oBT, la corriente de cresta en el punto de entregapuede llegar a alcanzar varias decenas de kA.El di/dt y la ∫I2dt son muy importantes.

Fig. 6: Algunas ondas de rayo normalizadas.

t

I

208

t

I

10

b - onda de corriente de rayo sin cebado ( f = 100 kHz )

t

u

501.2

c - onda de corriente de rayocon perforación del aislamientoo conducción de un pararrayos

a - onda de tensión

de rayo (fo = ) 1tm


Acoplamiento por impedancia común

Tomemos el ejemplo de un esquema TN, en elque todas las masas están conectadas(figura 7a), con

I 25 kA,ˆ =di/dt = 25 kA/8 µs,una conexión N-CP de 1 metro con unaautoinducción lineal de 1 µH/m,la tensión ∆V desarrollada entre N y CP, es:

36

6di 25 x 10 ˆV L 10 x 3 kvdt 8 x 10

−−= = =∆

¡Esta es la tensión que se va a aplicar entreneutro y masa de los equipos BT!La solución consiste en realizar las conexionesen estrella a partir de una sola toma de tierra(figura 7b), mejor que utilizar dos tomas detierra (figura 7c).Normalmente, un conductor eléctrico recorridopor una corriente anormal (de defecto) generaentre sus extremos una diferencia de tensiónque puede ser perturbadora: es el acoplamientopor impedancia común.Fijémonos en otro ejemplo relacionado con lainstalación de un pararrayos. Supongamos quelas estructuras del suelo, en parte metálicas,estén conectadas a la bajada del pararrayos(figura 8), con:L = 0,5 mH/m (conductor plano)longitud del conductor = 3 m

I 50 kAˆ =el ∆V entre plantas, será:

36

6di 50 x 10 ˆV L 1,5 x 10 x 9,4 kvdt 8 x 10

−−= = =∆

¡Evidentemente, la equipotencialidad en eledificio es muy dudosa!Una de las soluciones consiste en multiplicar losconductores de bajada y separarlos de todocircuito eléctrico, tendiendo a conseguir una«campana de Faraday» (figura 9).

Fig.7: Evitar el acoplamiento por impedancia común frente a las perturbaciones con origen en MT.

MT/BT3

CP

cMT/BT

3

CP

bMT/BT

3

CPN

a

Fig. 8: Tensión «de modo común» generada entre dosplantas por una corriente de rayo de 50 kA.

3 m

9 kV

50 kA

Fig. 9: Conductores de bajada dispuestos en«campana» de Faraday.


Hay que destacar que para atenuar lapenetración en el edificio de las ondaselectromagnéticas resultantes de la descarga derayo próxima, es necesario que la distanciaentre los conductores que constituyen la cajasea inferior a la décima parte de la longitud deonda λ. Con un tm = 1 µs:

3

6

3

0,35f 350 x 10 Hztm

1 300 x 10x 85,7 m10 10 350 x 10

= =

= =λ

Acoplamiento capacitativo

El material de MT (24 kV) tiene una rigidezdieléctrica a la caída de rayo (onda 1,2/50 µs)de 125 kv. El coeficiente de transferenciacapacitativo entre los 20 kV y los 400 V esgeneralmente de 0,04 a 0,1 (CEI 60071-2 indicaque puede alcanzar 0,4).Así, una onda de rayo de 100 kv, con uncoeficiente de 0,07, trasmite a la BT una ondahomotética de 7 kv, en modo común.Por este motivo:

el material BT de un centro de transformacióntiene generalmente un aislamiento reforzado(10 kv),

los armarios eléctricos pueden soportar hasta12 kv de la onda de choque (PRISMA y susaccesorios),

y los interruptores automáticos de potenciatienen una resistencia dieléctrica de 8 kv enmodo común, según la norma CEI 60947-2.La transferencia capacitativa de perturbacioneses todavía más importante cuando la tensión yla frecuencia son elevadas.Todo conductor «de potencia» transmite, porefecto capacitativo, una tensión parásita a losconductores «de corriente débil» que siguen elmismo recorrido a una distancia insuficiente.

Acoplamiento inductivo

Supongamos que un edificio esté equipado conun pararrayos y que tenga una línea «decorriente débil» larga, de unos 5 m de longitud ya unos 50 cm de distancia del cable dedescenso del pararrayos (figura 10).La superficie S = L x l (l = espacio que separalos dos conductores de «corriente débil»≈ 5 mm) es de 5 x 0,005 = 0,025 m2.Según el teorema de Ampère:

I dH ; B . S y u ;2 dtR

= = =φφ

π

de donde:

oo

dH S diu Sdt 2 R dt

= − = −µµ

π

o sea, con di = 50 kA y dt = 8.10-6 s,se tiene:

7 3

64 x 10 x 0,025 50 x 10u x 60 V

2 x 0,5 8 x 10

−=

π ≈π .

Esta tensión impulsional se sobrepone a latensión útil (algunos voltios), interfiere en dichalínea e incluso llega a dañar los aparatoselectrónicos comunicantes.La solución es evitar los recorridos comunes ypróximos entre los circuitos con gran di/dt y loscircuitos de «corriente débil» y utilizar parestrenzados para la transmisión de información.Los acoplamientos se deben sobre todo al modode estar hechas las instalaciones. A título deejemplo, se presentan, en el anexo 2, lasmedidas tomadas en un hospital para estarseguros de realizar los electroencefalogramassin «parásitos».

Fig. 10: El acoplamiento inductivo crea tensiones enmodo diferencial en las líneas de señal.

5 m

0,5 m


4.3 Masas y tierras

Para facilitar la comprensión de los capítulossiguientes, damos algunas definiciones:

tierra (profunda): masa conductora de laTierra cuyo potencial eléctrico en cada punto setoma por convenio igual a cero,

toma de tierra: cuerpo conductor o conjunto decuerpos conductores en contacto íntimo con elsuelo y que asegura una conexión eléctrica con él,

red de tierra: conjunto de conductores deprotección (CP o PE) conectado a la toma detierra, cuyo objeto es evitar la aparición de unatensión peligrosa entre las masas eléctricas y latierra en caso de defecto de aislamiento(contacto indirecto),

masa eléctrica: parte conductora de unmaterial eléctrico que puede quedar con tensióncuando se produce un defecto de aislamiento,

masa de acompañamiento: estructura de masao conductor, (plancha mallada, electrocanalmetálico o blindaje...) que acompaña de principioa fin a un cable de «corriente débil» al que

protege para conseguir reducir los acoplamientoselectromagnéticos (AF) o los acoplamientos porimpedancia común,

masa funcional: parte conductora de unmaterial electrónico que tiene una misión depantalla y, frecuentemente además, de referenciade potencial (0 voltios). Un material de clase II notiene masa eléctrica, pero puede tener una masafuncional,

redes de masas funcionales: conjunto deconductores de masa de acompañamiento y deestructuras conductoras de los edificios quetienen la misión de equipotencialidad y depantalla de las perturbaciones.Conviene destacar que un sistema de tierrastiene la misión de proteger a las personas de ladistribución eléctrica (50 Hz) y que un sistemade masas tiene una misión funcional en latransmisión de informaciones y en la luchacontra las perturbaciones electromagnéticas(figura 11).

Fig.11: Ejemplo de sistema de tierra y masas.

CP CPMF MF

MT

Estructuras ycanalizacionesmetálicas

Red detierra (CP)

Red de masasfuncionales (MF)

Anillo enterrado en los cimientos

bajantes depararrayosy tomas de tierra múltiples


4.4 Sistema ideal de tierra y de masa

El esquema de la figura 11 es un ejemplo porlos siguientes motivos:

Las perturbaciones externas (de rayo, demaniobra o por descarga AT/masa) afectanmínimamente al equipamiento del edificio,porque:

hay muchos conductores de descenso delpararrayos y de tomas de tierra múltiples enforma radial,

las diferentes puestas a tierra «eléctricas»están conexionadas en estrella a una únicatoma de tierra.

El conductor CP (sea el que sea el ECT) noafecta a las masas funcionales electrónicas,porque:

no hay acoplamiento por impedancia comúnporque la red de tierra -CP- está separada de lared de masas funcionales. En la práctica estaseparación se realiza normalmente en lasplantas, pero nunca para las columnasmontantes,

su campo radiante puede reducirse mucho siestá en el mismo cable que los conductoresactivos, colocado en una canal metálica concontinuidad eléctrica que esté conectada, en elorigen de la instalación, al CP.

Todos los cables de «corriente débil» estáncolocados sobre una plancha mallada (efectoreductor) a cierta distancia de los circuitos depotencia (≥ 30 cm) para evitar los efectos delacoplamiento magnético. Sucede lo mismo para

atravesar el suelo (conexiones entre plantas)con los cables de «corriente débil» que circulanen una canalización metálica que sigue laconexión de «masas funcionales».

Nota

Un conductor de masa de acompañamientopuede sustituir a un suelo mallado o completarsu efecto para minimizar los efectos de bucleseventuales en AF.

La red de tierra -CP- y la red de masasfuncionales podrán constituir una misma y únicared si se dan dos condiciones esenciales:

ausencia de perturbaciones AF de gran dv/dty gran di/dt, y

que las corrientes de defecto en el CP o CPNsean pequeñas y sin armónicos.Ciertos especialistas en CEM indican que,aunque no se cumplan completamente estascondiciones, las redes de masas y tierra puedenestar íntimamente conectadas. Pero con lacondición de que los suelos, las estructuras, losconductos de cables estén muy mallados(búsqueda de la equipotencialidad total pordivisión de corrientes y minimización de bucles).Esta solución difícil de realizar a nivel degrandes obras (interconexión de los encofradosmetálicos y de todos los herrajes) puede convenirpara edificios muy especializados tales comocentros informáticos y centrales telefónicas.


5 Los ECT y los sistemas electrónicos de comunicantes (SEC)

En el apartado anterior, hemos tratado de lacoexistencia de las instalaciones electrotécnicas ylos aparatos electrónicos. La situación se complicacon el desarrollo de conexiones digitales quegobiernan los dispositivos electrónicos en lossistemas de comunicaciones de mando y control.En este tema, vamos a examinar másdetalladamente los problemas que puedenplantear los ECT de las redes BT a los sistemaselectrónicos comunicantes, pero recordemosque:

Antes del desarrollo de los microprocesadores,los sistemas comunicantes eran poco frecuentesy localizados (conexiones captador-aparato demedida). Utilizaban señales analógicas (0–10 V,4–20 mA) de baja frecuencia, y eran sensibles alas perturbaciones de BF, de ahí la conexión delas masas en estrella para evitar losacoplamientos de modo común. Además, habíapocas perturbaciones de AF y las tensionesinducidas eran fáciles de filtrar.

Hoy en día, las conexiones entre losdispositivos electrónicos son digitales (buses) afrecuencia elevada y con corrientes muy débiles.Estas conexiones son cada vez más numerosasy extensas (redes de ordenadores, captadores yaccionadores «inteligentes», sistemas degestión técnica, ...).

Según el ECT utilizado, la forma de conectarlas masas funcionales y los recorridos relativosde las conexiones de «corriente débil» respectoa la distribución de potencia, se puede observar:

la existencia de perturbaciones porimpedancia común debidas a corrientes dedefecto en el CP,

la creación de bucles amplios (conconexiones digitales) y, por consiguiente, muysensibles a las perturbaciones emitidas por losequipos emisores de señales (normales oparásitas) de alta frecuencia.

5.1 ECT, SEC y perturbaciones en baja frecuencia -BF-

Frecuentemente, teniendo los materialeselectrónicos necesidad de una alimentacióneléctrica, sus masas eléctrica y funcional seconectan a una red de tierra (CP) que sigue elcamino arborescente de la red eléctrica.Las perturbaciones BF aparecen en la red poracoplamiento de tipo impedancia común o porinducción (recorridos paralelos y próximos).

Fig.12: La caída de tensión en el CP, debida a la corriente de defecto, interfiere las líneas de los aparatos decomunicaciones (puede sobrepasar U0 / 2 en el esquema TN, siendo secciónCP < secciónfase ).

Captador«inteligente»

Armarioeléctrico +electrónico

CDCP

Defecto deaislamiento

Id

u

u'

B

(1)(2)

A

Acoplamiento por impedancia común

Según el esquema de la figura 12, cuando undefecto de aislamiento provoca la circulación deuna corriente en el CP, entre los puntos deconexión de un aparato (1) y su captador (2),aparece una caída de tensión entre los puntosC y D. Esta tensión (u) aparece entre (1) y (2) ypuede afectar a la transmisión de las señales.


¡Si, por ejemplo, el cable es coaxial, la tensión(U) aplicada a la malla va a aparecer en mododiferencial (u’) en la conexión! Este fenómenoaparece con más o menos importancia según eltipo de cable empleado y depende de su«impedancia de transferencia» en el dominio dela frecuencia considerada.

En TN-C las corrientes que circulan por elneutro, y por tanto por el CPN, hacen variarmucho la referencia de potencial de los diferentesaparatos de un SEC. Este ECT no esconveniente; todavía menos si las corrientesarmónicas circulan por el neutro, a menos que sesepare totalmente el sistema de masas funcionaly el sistema de tierra; lo que no es aconsejablepara la equipotencialidad de la instalación.

En TN-S pero también en TN-C, los defectosde aislamiento implican la circulación decorrientes de cortocircuito (con un gran di/dt) enel CP, que:

modifican la referencia de potencial del SEC(ver ejemplo anterior),

pueden provocar la circulación de corrientesperturbadoras en las estructuras metálicas delos edificios (de ahí la importancia de conectarlas estructuras al borne principal de tierra másbien que a la red de tierras, en diversos puntos).

En IT, al primer defecto, las corrientes dedefecto son normalmente inferiores a unamperio y por tanto no perjudiciales. En caso dedefecto doble, si el primer defecto no ha sidoencontrado y eliminado, la situación es la mismaque en el TN-S.

En TT, es muy evidente que si los sistemascomunicantes están conectados a tomas detierra diferentes, los problemas deequipotencialidad son tan importantes como enTN; por tanto, la existencia de sistemascomunicantes obliga a una única toma de tierrapara todos los usos. En este caso, los defectosde aislamiento implican la circulación, por el CP,de corrientes de defecto de aproximadamente20 A, poco perturbadoras (¡pero 20 kA en TN!).Para evitar la aparición de estas perturbacionesentre aparatos comunicantes las soluciones son:

evitar los ECT que hacen circular una grancorriente por el CP,

aislar los 0 voltios electrónicos (masasfuncionales) de las masas eléctricas (usando,por tanto, transformadores separadores, si esnecesario); sin olvidar que los equipos deproceso de datos deben de llevar untransformador separador (CEI 60950) y que laNF C 15-100 § 707.545-2-1 exige que las masasfuncionales de los aparatos de proceso de datosestén conectadas directamente al borneprincipal de tierra,

utilizar materiales de clase II, lo que suprimela conexión al CP,

evitar las tomas de tierra múltiples (en TT y enIT) si existe riesgo de corrientes erráticas portierra.

Acoplamiento por inducción (diafoníainductiva)

Recordemos que, según las leyes delelectromagnetismo, toda corriente que circule porun conductor genera un campo magnético. Sieste campo es variable, provoca una variación deflujo, y por tanto, una tensión parásita encualquier bucle próximo.Para evitar la aparición de campo magnético:

los conductores activos y el CP deben deestar en un mismo cable (los campos radiadospor los diversos conductores se anulan).Recordemos que las corrientes de defecto deaislamiento en TN pueden caracterizarse por∆i ≈ 50 kA con ∆t ≈ 5 ms,

no es aconsejable permitir que las estructurasformen parte del circuito de retorno, porque sino, la suma vectorial de corrientes en el cableno es cero,Y para limitar los acoplamientos, es necesario:

evitar todos los recorridos paralelos ypróximos entre conductores con gran di/dt(descenso de pararrayos, conductores deprotección) y las líneas de «corriente débil»,

utilizar para las líneas de «corriente débil»cables de pares trenzados (las tensionesdesarrolladas en los bucles sucesivos se anulan).

5.2 ECT, SEC y perturbaciones en alta frecuencia -AF-

Los sistemas digitales repartidos en los edificiosson muy sensibles a las perturbaciones de altafrecuencia permanentes o transitorias, radiadaso conducidas.

Las perturbaciones radiadas de AF

Estas perturbaciones son debidas a señales defrecuencia generalmente superior a 1 MHz.

Tienen por origen las soldaduras, los hornos dearco, los walkie talkies y otros emisores talescomo los aparatos de corte de AT o losbalastros electrónicos.De hecho, existen muchas normas que limitanlas emisiones de AF (CISPR 11 y EN 55011),pero no todos los aparatos las cumplen.


Si el «ruido» aportado por estas pertubaciones alos SEC es independiente del ECT, esabsolutamente necesario evitar los bucles quelas redes de «corriente débil» pueden formarcon los circuitos eléctricos (figura 13).En efecto, un campo electromagnético radiadoinduce una corriente en el bucle lo que generatensiones parásitas en las transmisiones de

«corriente débil». Y cuanto mayor es el bucle,más importante es la perturbación.El rayo, fenómeno natural, es el perturbadormás importante; una descarga de rayo de 50 kAa 100 m de distancia puede producir una tensiónde 100 V en un bucle abierto de 1 m2 y, si elbucle está cerrado, una corriente mayor de 20 A.

Fig.13: Ejemplos de bucles inductivos que provocan descargas en los sistemas electrónicos comunicantes.

230 VH

televisor

amplificador

H

230 V

ordenador ordenador

armario de conexiones

H

230 V normal

ordenador

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230 V de emergencia

impresora

a - TV con amplificador

b - ordenadores en red

c - ordenador e impresora


En el esquema de la figura 14, si no hayconductor de acompañamiento, se desarrollauna tensión entre los dos extremos de laconexión de «corriente débil»; ésta es la queperturba las señales transmitidas.El conductor de acompañamiento forma, con lalínea de «corriente débil», un bucle inductivo desuperficie mucho menor (S2) que la superficieinicial (S1+ S2), con lo que se consigue unagran reducción de la perturbación.Se vislumbran varias soluciones según losmateriales instalados:

Utilizar un transformador-separador y evitarlas capacidades parásitas entre los circuitoselectrónicos y la masa eléctrica.

Minimizar el área del bucle: sea haciendo seguir el mismo camino a los

dos circuitos, el de «corriente débil» y el dealimentación, pero separados unos 30 cm(capítulo 4),

sea añadiendo un conductor deacompañamiento si la conexión de «corrientedébil» no está blindada.Hay que destacar que los planos de masastienen el mismo papel que el conductor deacompañamiento (canalizaciones metálicas,suelos finamente mallados).

Utilizar para las conexiones digitalesconductores trenzados (con reducción de laimpedancia de transferencia) que estén puestosen una canaleta metálica que sirva comoconductor de acompañamiento.

Fig.14: Reducción de la superficie del bucle por masa(o conductor) de acompañamiento (en este ejemplolas masas funcionales y el CP están conectados, loque no es problema con el esquema TT).

Fig.15: Ejemplo de formas de poner las conexiones para evitar las perturbaciones por efecto bucle en AF.

1N

CP

S2

S1

H

conductor de acompasamiento

CP

conductor trenzado

blindaje o conductor de acompañamientoo canaleta metálica (masas funcionales)

punto de abertura del bucle(limitador de sobretensión)

En las situaciones difíciles prever undesacoplamiento entre los dos extremos de laconexión digital (entrada y salida) medianteoptoacopladores o transformadores de impulsosy conectar el blindaje de la conexión digital a lamasa electrónica (figura 15).

Por último, en los ambientes muyperturbados, la solución es la transmisión porfibra óptica...


Las perturbaciones conducidas de AF

Estas perturbaciones son debidas a las señalesde frecuencia típicamente comprendidas entre10 kHz y 30 MHz. Tienen por origen el rayo, lassobretensiones de maniobra y ciertas fuentes dealimentación conmutadas.

El rayoEn este caso el problema es idéntico, sea el quesea el sistema de ECT: la sobretensión de rayoque llega al origen de una instalación BT esesencialmente de modo común (afecta a todoslos conductores activos). Queda atenuada porlas capacidades parásitas conforme se aleja dela fuente. Así, cuando dos aparatoscomunicantes se instalan a distancia -unopróximo y otro lejano a la fuente- aparece unaddp de AF entre las alimentaciones de estos dosaparatos, de ahí una posible perturbación de lascomunicaciones digitales.La respuesta más sencilla a este problema esinstalar en el origen de la instalación de BT(cerca del transformador MT/BT) limitadores desobretensiones entre cada conductor activo ytierra, excepto:

en TN y TT, sobre el neutro porque el neutroestá conectado a tierra (la sobretensión sederiva directamente a tierra); pero hay que estaratento a tener una conexión lo más corta posibleentre la puesta a tierra del neutro y el CP(capítulo anterior),

en IT, en el conductor al que está conectadoel limitador de sobretensión (normalmente elneutro), porque este limitador elimina estasobretensión.Nota: En TN-S, IT y TT, puede ser necesarioañadir en la instalación de BT pararrayos olimitadores de sobretensiones de tensión másbaja, incluso sobre el neutro, debido alacoplamiento capacitativo entre conductoresactivos.Para su instalación, ver el Cuaderno Técniconº 179.

Las sobretensiones de maniobra (corte decorrientes inductivas)Son, esencialmente, de modo diferencial. Todoslos ECT quedan afectados de la misma forma. Laúnica solución es atenuar estas sobretensionesen el momento en que se generan.

Las perturbaciones debidas a las fuentes dealimentación conmutadasCiertos equipos, tales como los balastroselectrónicos de ciertas lámparas y tubosfluorescentes, los televisores, los ordenadorespersonales... utilizan alimentaciones con fuentesconmutadas (de modulación de ancho deimpulso). Son generadores de corrientes

armónicas de AF que pueden perturbar losequipos sensibles.Si éste es el caso, hay tres soluciones:

Interponer un transformador de aislamientocon pantalla.

Utilizar toroides de ferrita. Éstos, por efectoJoule, en los materiales magnéticos, atenúa lasperturbaciones de hasta varias decenas de MHz(figura 16).

Utilizar filtros, como por ejemplo, el de lafigura 17: solución frecuentemente empleadapor los fabricantes de aparatos sensibles.El empleo de filtros tiene, sin embargo, ciertasdificultades que es importante conocer paraejecutar una instalación eléctrica y en especialpara escoger el ECT.

Particularidades del uso de filtros

Los filtros tienen, generalmente, condensadores-Cy- cuyas características tecnológicas hacen que:

los filtros estándar tienen, normalmente, unarigidez dieléctrica mucho menor que la de losequipos electrónicos.

Estos filtros, por tanto, son más vulnerables alas sobretensiones en modo común: pueden

Fig.16: Un toroide de ferrita atenúa las interferenciasen modo común.

Fig.17: Filtro de alta frecuencia.

pertubaciones

pertubaciones

LMC If

LMC If

cx2cx1

cy1 cy1 cy2 cy2


necesitar una protección proporcionada por unrecortador de sobretensión (varistancia). Estoplantea de nuevo el problema de la coordinaciónde aislamientos en BT.

Estos filtros originan las corrientes de fuga a50 Hz, que, aunque limitadas por las normas,deben de tenerse en cuenta para definir lasprotecciones que hay que instalar en unadistribución eléctrica.Estas corrientes de fuga varían en la prácticaentre 0,2 y 1 mA para los aparatos enchufados auna toma de corriente, pero pueden ser mayorespara los equipos fijos de potencia. Por ejemplo,existen filtros que tienen una corriente de fuga de2,85 mA para una intensidad nominal de 50 A a50 Hz. Sin embargo, ciertos equipos informáticosque cumplen la norma CEI 60950, (grandesordenadores, equipos de cálculo que llevan laetiqueta «corriente de fuga elevada») puedentener corrientes de fuga más importantes porqueesta norma permite valores hasta el 5% de In, loque explica la necesidad de aislar su distribucióneléctrica, generalmente con el ECT-TN.

Influencia de los condensadores de filtrosobre los diferentes ECT

En régimen TN, no afectan a los interruptoresautomáticos ni a los fusibles, y por tanto, noafectan a las personas cuya protecciónaseguran estos aparatos.

En régimen IT, no afectan a los dispositivosde protección contra cortocircuitos. Pero, si losequipos electrónicos que llevan tales filtros sonmuy abundantes, pueden perjudicar elfuncionamiento de los CPI a inyección decorriente de BF, por lo que puede ser mejorutilizar aparatos a inyección de corrientecontinua.

En régimen TT, las corrientes de fuga debidasa los filtros, cuando los equipamientoselectrónicos son numerosos, pueden provocar elfuncionamiento intempestivo de los DDR de altasensibilidad (30 mA) y hasta casi los de mediasensibilidad (0,3 A). Por este motivo las reglasdel arte llevan, hoy en día, a no proteger más de3 tomas de corriente con cada DDR de 30 mA.Hay que destacar que los aparatos deprotección han sido objeto de muchas mejoras.Por ejemplo, actualmente los DDR:

son insensibles a las perturbaciones de frenteabrupto y a las corrientes transitorias,

están inmunizados contra las corrientesunidireccionales pulsantes,

mediante un limitador de sobretensionespermiten derivar a tierra, sin disparar, lassobretensiones de rayo (diferencial ligeramentetemporizado al disparo).


6 Conclusión

En cuanto a la protección de personas, losdiversos ECT son equivalentes. Pero con eldesarrollo de sistemas digitales decomunicantes y la proliferación de elementosperturbadores, el diseño de las instalacioneseléctricas exige prestar especial atención a lacoexistencia de «corrientes débiles» y«corrientes fuertes», y por tanto, reconsiderarlos modos de instalación y los sistemas deconexión a tierra.

A nivel de las instalaciones

En este aspecto, es necesario reducir al máximolas fuentes de perturbaciones (de potencia yradiantes) y la sensibilidad de los equipos, yespecialmente las conexiones de «corrientedébil».Para esto:

hace falta evitar conectar conductores dedescenso de pararrayos y masas de mediatensión a la toma de tierra del neutro(eliminación de sobretensio-nes de modo comúnresultante de la conexión por impedanciacomún),

hace falta que el CP siga el recorrido de losconductores activos (reducción de losacoplamientos por inducción) y que sólo estéconectado, en la distribución, a las masas de losreceptores eléctricos, sobre todo en TN,

hace falta utilizar canalizaciones de cablesmetálicas equipotenciales respecto a laconexión equipotencial principal (reducción de laradiación de los cables eléctricos de potencia yefecto de conductor de acompañamiento y planode masas para los circuitos sensibles).

hace falta separar completamente lasconexiones de «corrientes débiles» de loscables de potencia si están en el mismo soporte,o mejor, que estén colocados en canalizacionesseparadas pero próximas.En realidad, las conexiones de «corrientesfuertes» - «corrientes débiles» tienenfrecuentemente trayectos diferentes. Por esto,hay que utilizar un conductor de acompañamiento(o similar) para los circuitos de «corrientesdébiles», y por tanto, crear una red de masasfuncionales.

A nivel de las ECT

El esquema TN-C, ya prohibido en los lugares deriesgo de incendio y de explosión, hay quedesterrarlo porque las corrientes de neutro quecirculan en el CPN afectan a la equipotencialidad.

Por otra parte, si una parte de las corrientes deneutro y de defecto circulan por las estructurasmetálicas del edificio, estas corrientes«erráticas», así como el cable fase-CPN seconvierten en generadores de camposmagnéticos perturbadores.Para el esquema TN-S, visto que tiene grandescorrientes de defecto perturbadoras, esaconsejable crear un circuito de masasfuncionales, separado del circuito de tierra (CP)y, por tanto, realmente equipotencial (figura 10).Esto va a constituir, junto con los suelosconductores y las estructuras, un efectivo planode masas derivador y caja de Faraday.El esquema IT permite obtener la mejorcontinuidad del servicio y un valor deperturbación muy bajo; pero, teniendo en cuentala posibilidad de un doble defecto, lasprescripciones son las mismas que en TN-S.El esquema TT es el que genera el menor nivelde perturbaciones en caso de defecto deaislamiento; permite continuar uniendoíntimamente las masas funcionales y las masaseléctricas y utilizar la estructura y laequipotencialidad.En definitiva, de cara al nuevo problema de lossistemas comunicantes con líneas digitales, loque hay que plantear es la equipotencialidad, enBF y AF, de todas las masas en toda lainstalación.La respuesta, en cuanto a los ECT a instalar, es:

para todos los ECT: crear un plano de masas(suelos, canalizaciones metálicas para cables),interconectarlos y evitar los bucles de«corrientes fuertes» - «corrientes débiles»,

para los ECT TN-S y IT (segundo defecto)separar las redes de tierra (CP) de la red demasa, o mallar muy bien todas las masas paradividir las corrientes de defecto de 50 Hz y lascorrientes perturbadoras AF.Una solución defendida generalmente por losanglosajones es conectar íntimamente todo loque es metálico; no es aplicable más que en losedificios con estructura metálica y cuyaconstrucción se haya controlado.

El esquema TT es el que responde mejor alproblema propuesto debido a la proliferación delíneas digitales en los edificios; tiene comocondición el que las tomas de tierra de losreceptores estén interconectadas por el CP.


Anexo 1: Los ECT según la CEI 60364

Los tres ECT normalizados a nivel internacionalestán hoy en día regidos por un gran número denormas nacionales.Estos tres esquemas de conexión se estudiancon detalle en el Cuaderno Técnico 172, en el

que se explican, para cada uno de ellos, losriesgos que presentan y la aparamenta deprotección asociada.De todos modos, conviene recordar de formaresumida el principio de funcionamiento de cadauno.

El esquema TN

El neutro de transformador está puesto atierra.

Las masas de los receptores eléctricos estánconectadas al neutro.El defecto de aislamiento se convierte en uncortocircuito actuando la protección contracortocircuitos que desconecta la parte delcircuito que tiene el defecto (DPCC).

La tensión de defecto (masa/tierra profunda,llamada «contacto indirecto») es ≈ U0 / 2 si laimpedancia del circuito de «ida» es igual a la delcircuito de «retorno». Si es superior a la tensiónlímite convencional (UL) que es normalmente de50 V, necesita una desconexión tanto másrápida cuanto mayor se Ud que UL.

Fig. 18: Esquemas TN-C (a) y TN-S (b).

CP

N

Defecto

CPN

Defecto

El esquema TT El neutro del transformador está conectado a

tierra. Las masas de los receptores eléctricos están

también conectadas a una toma de tierra.La corriente de defecto de aislamiento estálimitada por la impedancia de la toma de tierra.La parte con el defecto la desconecta undispositivo diferencial residual –DDR–.La tensión de defecto es:

A

B A

RUc UoR R

=+

,superior a la tensión UL; el

DDR actúa desde que I L

A

UdR

≥ .

(figura 18)

(figura 19)

Fig. 19: Esquema TT.

RB RA

CPN

Defecto


El esquema IT

El neutro del transformador no está conectadoa tierra. Teóricamente está aislado, pero, dehecho, está conectado a tierra a través de lascapacidades parásitas de la red y/o por unaimpedancia elevada, de un valor ≈ 1 500 Ω(neutro impedante).

Las masas de receptores eléctricos estánconectadas a tierra.Si se produce un defecto de aislamiento, dehecho circula una pequeña corriente a través delas capacidades parásitas de la red (1er defectoen la figura 20).

La tensión desarrollada en las tomas de tierrade las masas (de unos pocos voltios) no espeligrosa.Si se presenta un segundo defecto (figura 20),cuando el primer defecto no ha sido eliminado,hay una corriente de cortocircuito y son losDPCC los que aseguran la protección necesaria.Las masas de los receptores afectados pasan atener aplicado el potencial creado por lacorriente de defecto en sus conductores deprotección (CP).

(figura 20)

Fig. 20: Esquema IT.

CP

BA

RA

a.- Primer defecto b.- Segundo defecto


Anexo 2: Ejemplo de preparación de un local libre deperturbaciones electromagnéticas

Se trata de una sala en la que se realizanelectroencefalogramas.Los aparatos utilizados para estos registrosdetectan tensiones de algunos µV, siendo portanto especialmente sensibles a lasperturbaciones electromagnéticas.

Algunos datos previos

In situ, se ha visto que: se detectan tensiones entre la camilla del

paciente y la masa del monitor, se detectan tensiones entre las masas de los

diversos componentes del sistema de medida, yentre éstas y las masas metálicas situadasalrededor del paciente,

las medidas de campo entre las diferentespartes del local han sido:

campos eléctricos desde algunos mV/m hasta150 mV/m,

campos magnéticos de AF desde algunos mAhasta unos 10 mA (presencia de un scanner enlas proximidades y un emisor de radiodifusión acierta distancia),

existen importantes campos magnéticos de BF, las conexiones monitor-captador forman bucles

y antenas.Los trabajos a realizar deben por tanto reducir, yhasta suprimir, a la vez los campos eléctricos,los campos magnéticos y las variaciones detensión constatadas.

Lucha contra los campos eléctricos

construcción de una «caja de Faraday»(faradización) colocando una rejilla en lasparedes, el suelo y el techo (y una moquetaantiestática en el suelo),

sustitución de los tubos fluorescentes porlámparas de incandescencia,

Lucha contra los campos magnéticos

desviación de una canalización de granintensidad, con esquema TN-C que pasaba porel local,

realización de un blindaje de lascanalizaciones entre estancias que contenga las

sustitución de los reguladores con triacs porautotransformadores variables,

antiparasitado de los interruptores.

canalizaciones eléctricas de gran potencia (lasuma de corrientes no es nula en el cable,debido al hecho de que la corriente de neutrovuelve a la fuente, en parte, a través de lasmasas metálicas del edificio).


Lucha contra las variaciones de potencial de las masas y el CP de la estancia

conexión a la caja de Faraday de losradiadores de calefacción central aislados delresto de la instalación por manguitos aislantes,

desplazamiento fuera de la estancia de lastuberías de gas medicinal,

desacoplamiento de la red de distribucióneléctrica, mediante filtro de AF y transformadorBT/BT con pantalla, de todas las tomas decorriente (anteriormente estas tomas decorriente estaban alimentadas desde diversoscircuitos, de ahí el riesgo de creación de bucles),

desacoplamiento, mediante autoinducciones oself, de todas las masas y del CP local (solución

más económica que volver a llevar el CP a latoma de tierra del edificio para realizar una«tierra sin ruido»).La red eléctrica de esta estancia especializadase ha pasado del esquema TN-C al esquema TTimpedante, con riesgo nulo frente a loscontactos indirectos (ZL sustituye a RB).En este ejemplo (figura 21), que corresponde aun caso real, la acción de un especialistacualificado ha permitido aplicar la mayoría de lassoluciones que permiten evitar cualquierperturbación de los equipos electrónicossensibles; esto es lo que se hizo en este caso.

Fig. 21: Alimentación de un local sin interferencias electromagnéticas.

filtro AF BT BT

CP deledificio

DDR30 mA

Fase

N

Z L


Bibliografía

Normas y decretos

CEI 60071-2: Coordinación del aislamiento -2ª parte: Guía de aplicación.

CEI 60146-4: Convertidores consemiconductores - 4ª parte: Método deespecificación de prestaciones y métodos deensayo de las alimentaciones sin interrupción.

CEI 60364: Instalaciones eléctricas enedificios.

CEI 60947-2: Aparamenta de baja tensión -2ª parte: interruptores automáticos.

CEI 60950: Seguridad de los equipos deproceso de datos, incluidos los equipos deofimática.

Serie CEI 61000: Compatibilidadelectromagnética.

CISPR 11: Límites y métodos de medida delas características de las perturbacioneselectrónicas de los aparatos industrialescientíficos y médicos a frecuencia radioeléctrica.

NF C 15-100: Installations électriques à bassetension.

Cuadernos Técnicos Merlin Gerin

La compatibilidad electromagnética.J. DELABALLE.Cuaderno Técnico nº 149.

Las perturbaciones por armónicos en lasredes industriales y su tratamiento.P. ROCCIA, N. QUILLON.Cuaderno Técnico nº 152.

Armónicos aguas arriba de los rectificadoresde los SAI.J.N. FIORINA.Cuaderno Técnico nº 160.

El rayo y las instalaciones eléctricas de AT.B. de METZ NOBLAT.Cuaderno Técnico nº 168.

Los esquemas de conexión a tierra en BT(regímenes de neutro).B. LACROIX, R. CALVAS.Cuaderno Técnico nº 172.

Evolución y situación mundial de losesquemas de conexión a tierra.B. LACROIX, R. CALVAS.Cuaderno Técnico nº 173.

Sobretensiones de rayo en BT: coordinacióndel aislamiento.CH. SERAUDIE.Cuaderno Técnico nº 179.

Cuaderno Técnico nº 177 - Alfa Centauro Electric

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