Los Peligros de la Neutralización a Ciegas

De entre los métodos descritos por la normativa para la protección de tensiones peligrosas en las instalaciones interiores, el sistema de Neutralización es uno de los que ofrece mayor margen de seguridad frente a las diversas fallas latentes en una instalación eléctrica, y es por lejos el más utilizado por los instaladores electricistas en nuestro país. No obstante, dista mucho de ser perfecto. Son variadas sus posibilidades de mal funcionamiento y dependen en gran medida de su correcta aplicación, de comprender sus limitaciones y asociarlo a medidas adicionales cuando sea necesario. En este pequeño estudio, de manera muy simple, nos proponemos revelar algunos de sus peligros.

La Neutralización, como es sabido, consiste en unir al neutro las carcazas de los equipos que se desea proteger, a través de un conductor de protección (CP) que va en paralelo con el neutro de la instalación, de forma tal que las fallas de aislación se transformen en cortocircuitos entre fase y neutro y operen las protecciones del circuito (no se comenta la conexión directa de masas a neutro ya que no se acepta en la NCH Eléc 4/2003).

Pero, ¿qué debilidades puede presentar este sistema que está tan extendido en nuestro país?

(a) Una primera dificultad bastante obvia, y que por lo mismo se olvida con frecuencia, es que el conductor de protección debe permanecer íntegro para que el sistema funcione. Si el conductor CP se corta o desconecta no hay protección alguna para los receptores. Por lo tanto, para defenderlo de daños mecánicos o eléctricos se recomienda sobredimensionar su sección, canalizarlo adecuadamente, efectuar sus uniones mediante métodos que aseguren una continuidad permanente y, cuando el empalme se efectúa en Media Tensión, conectarlo directamente a los bornes del transformador .

(b) Otro inconveniente está vinculado con los defectos de aislamiento en las líneas de una red trifásica y su relación con la aparición de tensiones de contacto excesivas en los receptores. En la figura se muestra un sistema de distribución trifásico neutralizado con una tensión simple U_B de 220(V) en la cual una de las fases hace contacto con tierra. La tierra de servicio, que aquí llamaremos R_B, tiene un valor de 2(Ω) y la resistencia de contacto con tierra R_E es de 5(Ω). 

La corriente de falla aproximada se puede calcular como:

                                     I_F = U_E/ (R_E + R_B)                                                                                         (1)

Y la tensión de contacto en los receptores es igual a la tensión que aparece en la tierra de servicio, la cual es:

                                      U_B = I_F x R_B                                                                                                                           (2)

En nuestro ejemplo I_F = 220/(5+2) = 31(A), por lo tanto la tensión de contacto es U_B = 31x2 = 62(V). Esta tensión de contacto es superior a los máximos valores a los que puede quedar sometido el cuerpo humano sin ningún riesgo (50V lugares secos y 24V lugares húmedos) y aparecerá en todos los equipos neutralizados sin que ninguno de ellos presente fallas de aislación. Y el caso es más grave si la falla de aislación del conductor de fase disminuye. En nuestro ejemplo, con R_E igual a 0,5(Ω) la corriente de falla es I_F = 220/(0,5+2) = 88(A), y la tensión de contacto asciende a U_B = 88x2 = 176(V).

En muchas de las instalaciones interiores en chile la neutralización no está asociada a medidas adicionales de protección que puedan evitar la electrocución de personas si aparecen estas tensiones de contacto excesivas. En instalaciones industriales de pequeño y mediano tamaño, por ejemplo, aún no es costumbre utilizar los protectores diferenciales en los circuitos de fuerza y control, pues muchos electricistas consideran que afecta la continuidad de servicio. En estas circunstancias las tensiones elevadas por fallas de aislación son peligros reales y se pueden presentar por daños en un cable subterráneo, puesta a tierra de un conductor aéreo por una rama, defectos en el equipamiento, etcétera (Cabe mencionar que la falla de aislación de una fase también puede provocar la aparición de sobretensiones en las fases intactas desplazando el punto neutro con respecto a tierra. La sobretensión se incrementa con la disminución de la resistencia de la falla. Si la fase afectada llega a ponerse al potencial de tierra en una falla franca, las otras dos fases quedan sometidas entonces, con respecto a tierra, a la tensión compuesta de 380 Volt).

(c) Una dificultad bien conocida que afecta a las instalaciones neutralizadas aparece cuando se interrumpe el neutro. La configuración de la figura siguiente representa a muchas de las instalaciones en BT de nuestro País. Está neutralizada a través de un conductor de protección que llega hasta la barra de tierra de servicio del consumo. Como se puede apreciar, con el neutro interrumpido la impedancia del consumo Z_C y las resistencias de puesta a tierra de servicio del consumo R_A y de la puesta a tierra del transformador R_B quedan en serie.

Si a este circuito se incorpora accidentalmente una persona tocando la cubierta metálica del receptor, ella queda sometida a la caída de tensión que la corriente de falla produzca en R_A. El valor de esta corriente será función de los valores del circuito descrito, pero, en todo caso, será inferior a la corriente normal de funcionamiento del receptor, por tanto éste dará muestras evidentes de mal funcionamiento. En una instalación extensa, donde existan muchos artefactos conectados, la corriente de falla será la suma de la intensidades individuales de cada artefacto encendido y causará el aumento de la tensión de contacto con todos sus riesgos. Todos los equipos conectados al conductor de protección quedarán sometidos a esta tensión, con la sola condición de que haya al menos un aparato en funcionamiento, aunque ninguno presente fallas de aislación. Por último, si la tensión de contacto no fuera peligrosa y la falla adquiere carácter permanente, existirá riesgo de incendio o destrucción del equipo por posibles calentamientos puntuales.

Las protecciones magneto-térmicas son inútiles para despejar esta anomalía (como ya se dijo, la corriente de falla es menor a la nominal de los receptores). Tampoco la instalación de interruptores diferenciales elimina el problema en primera instancia, pues no hay diferencias en las corrientes que pasan a través de ellos. Solo se disparará un protector diferencial si una persona se incorpora al circuito y la corriente que circula a través de ella, producto de la tensión de contacto, supera la sensibilidad del aparato. Sin embargo, mirando la figura, se puede verificar que la conexión directa del conductor de protección al transformador, en empalmes de MT donde el propietario tiene acceso directo a la subestación, soluciona estructuralmente los problemas suscitados con la interrupción del neutro (dicho sea de paso, la norma chilena exige que instalaciones neutralizadas con empalmes en BT asocien sus protecciones termomagnéticas a otro sistema de protección contra contactos indirectos que garantice que no existan tensiones peligrosas ante un eventual corte del neutro de la red de distribución).

d) Otra fuente de dificultades en el funcionamiento de este sistema de protección es la presencia simultánea de equipos conectados a una tierra de protección individual y de equipos neutralizados. En estos casos, de establecerse una falla de aislación en los aparatos provistos con tierra de protección pueden producirse tensiones de contacto excesivas en todos los aparatos neutralizados sin que estos tengan falla alguna.

Veamos el ejemplo de la figura. La puesta a tierra de protección individual de un equipo R_S tiene un valor de 1(Ω) y la tierra de servicio de la instalación R_B es de 2(Ω). Si el equipo con tierra de protección presenta una  falla de aislación franca, entonces, la tierra de protección queda en serie con la tierra de servicio y la corriente de falla será:

                                  I_F = U_E/ (R_S + R_B) = 220/(1+2) = 73.3(A)

y la caída de tensión en la tierra de servicio R_B será

       

                                     I_F x R_B = 73.3x2 = 146,6(V)

Como los aparatos neutralizados están conectados directamente a tierra de servicio a través del conductor CP, ésta es la tensión de contacto que habrá en todas sus armaduras metálicas. Por los valores relativos de resistencias en juego generalmente en el aparato que provoca la falla la tensión de contacto es menor que en las armaduras de los aparatos normales y, en algunos casos, ni siquiera es perceptible en forma sensible, lo cual desde luego dificulta considerablemente la ubicación de la falla. En todo caso la corriente de falla va a depender de las circunstancias de la falla, y pueden sumarse al circuito de falla las resistencias de consumo de los aparatos, la resistencia de la falla si no es directa, otras tierras de servicios si existen, y, en estas condiciones, determinar la peligrosidad de la situación es aleatorio. Sin embargo, la mayoría de las normas prohíben el empleo de dos sistemas de protección en una misma red.

e) Otra dificultad de la neutralización ocurre cuando los tiempos de operación de los disyuntores o fusibles de la instalación sobrepasan los valores de seguridad establecidos. En algunos casos límite, como cuando se trata de extremos de línea de distribución, sumado esto a la existencia de alimentadores de gran longitud en la instalación interior antes de llegar a los posibles puntos de falla, pueden producirse corrientes de cortocircuito de una magnitud tan baja que los tiempos de operación de las protecciones se tornan peligrosos (para la norma chilena la corriente de falla estimada en el punto será de una magnitud tal que asegure la operación de las protecciones en un tiempo no superior a 5 segundos). 

Frente a una circunstancia como la descrita, el proyectista debe efectuar los cálculos que le permitan tomar medidas adicionales contra esta deficiencia y que involucran la determinación de las corrientes de cortocircuito. Una condición de protección adecuada a considerar en instalaciones con tensión a tierra de 220(Volt) es la siguiente (Guía P.S.I. Bticino, pág. 40)¹:

                                     I_F  £  220(V)/Z_S                                                                                                                          (3)

Donde Z_S es la impedancia total del circuito de falla de mayor impedancia; e I_F es la corriente (en A) que provoca el disparo automático del dispositivo de protección en un tiempo máximo de 0.4(seg). En caso de que las condiciones de protección no fuesen satisfechas con el empleo de interruptores termomagnéticos sera necesario recurrir a interruptores diferenciales. El empleo de estos últimos generalmente satisface  las condiciones de protección y no se requieren cálculos adicionales.

f) En el otro extremo, la existencia de una corriente de falla muy alta puede significar otra deficiencia en el sistema de neutralización. Las fallas a tierra mantenidas a través de arcos entre partes energizadas y carcazas metálicas conectadas a tierra pueden provocar desde picaduras en la pintura hasta la generación de grandes incendios. Algunas publicaciones señalan que estas fallas son la principal causa de incendios cuando éstos tienen relación con fallas eléctricas.

-100(kW-ciclo) de energía en una falla provocan picaduras en las cubiertas metálicas y marcas de humo alrededor del punto de falla.

-2000(kW-ciclo) producirán daños pequeños que probablemente no alcanzan al equipo mismo. El equipo podrá entrar nuevamente en servicio reparando los eventuales daños. Como norma general debe señalarse que es altamente conveniente mantener la energía de falla limitada a este valor.

-10.000(kW-ciclo) producen daños de consideración, pero éstos quedan generalmente circunscritos al interior de la caja del equipo.

-20.000(kW-ciclo) producen considerable destrucción del equipo y generalmente se inician incendios.

Para calcular la energía de una falla de esta naturaleza se puede recurrir a la siguiente expresión^2,3:

                                 E_F = I_F x V_a x t / 1000                                                                                            (4)

Donde E_F es la energía disipada en kW-ciclo; I_F es la corriente de falla en Ampers; V_a la tensión del arco en Volt; y t el tiempo de duración del arco en ciclos.

La corriente de falla a través de un arco puede estimarse en un tercio de la corriente de cortocircuito trifásico directo y la tensión de arco de un sistema de 380(V) se puede suponer cercana a 100(V). Por ejemplo, sea una instalación alimentada por un transformador de 300(kVA) con una impedancia del 5%. Haciendo los cálculos en forma aproximada, la corriente nominal del transformador será:  300.000/(1.73x380) = 450(A); y el cortocircuito trifásico, si se considera barra infinita, será: 450x100/5 = 9000(A) (ver La Guía de Diseño de Instalaciones Eléctricas según Normas IEC, pág. G24)³. Entonces la falla monofásica a tierra a través de un arco eléctrico la podemos estimar en 9000/3=3000(A). Si la instalación está protegida por disyuntor que tarda 1.8(seg) en accionarse, o sea, 1.8x50 = 90(ciclos), la energía disipada es:

                                 E_F = 3000 x 100 x 90 / 1000 = 27.000(kW-ciclo)

Energía que es capaz, como ya vimos, de producir incendios y puede estallar, por ejemplo, en las barras de los tableros generales. Las normas americanas limitan la neutralización hasta instalaciones que no excedan los 1000(A), pero como vimos, es necesario estudiar los parámetros de cada instalación antes de adoptar un criterio. Nuevamente, por supuesto, la adopción de protectores diferenciales protegerá la instalación mucho antes de que se produzcan estos niveles de disipación de energía.

Epílogo

En este recorrido se ha constatado que la neutralización no es un método de protección perfecto y que debe ser correctamente aplicado y evaluado en cada caso (como lo exige, por lo demás, la NCH Eléc 4/2003 en el punto 5.0.2: "Toda instalación de consumo deberá ejecutarse de acuerdo a un proyecto técnicamente concebido, el cual deberá asegurar que la instalación no presenta riesgos para operadores o usuarios"). Pero, para la tranquilidad de los electricistas que nos leen, y como dice Jorge Valenzuela en su libro El Porqué de los Diferenciales, "...después de los diferenciales es el método de protección a las personas que mayor seguridad ofrece" y el mismo autor bien vaticina (hace más de 35 años) que: "...por lo menos en nuestro país y en otros de condiciones tecnológicas y económicas similares, la neutralización seguirá siendo por años una respuesta frecuente y valedera... ".

Referencias sin enlace
(2).- El Por qué de los Diferenciales 1980. Jorge Valenzuela Alvarado.