Esquemas de conexión
a tierra en Baja Tensión
Características generales
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.
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 TT
Si 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 V, de donde
podemos concluir el valor máximo del diferencial (IΔn) a detectar, en
función del valor de la puesta a tierra, es decir IΔn <50/Ra. En la
figura siguiente se muestra una tabla con esta relación.
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.
En la próxima parte veremos las características de un defecto de
aislamiento en un esquema TN-S y en un IT.
Autor: Ing. Alberto Mikalaiunas
Comentarios: comentarios@electromagazine.com.uy
Nota: parte de esta información fue tomada del curso de “Mantenimiento
eléctrico” que brinda ElectroMagazine.
