Ciencia, tecnología y sociedad
Descarga eléctrica. Tercera parte
Medidas de protección contra descargas eléctricas
Introducción
El presente artículo representa la tercera parte de una serie de tres artículos relacionados al tema de las descargas eléctricas. Se describen las medidas de protección contra el riesgo de descarga eléctrica, las cuales se dividen en protección por contacto directo y protección por contacto indirecto. Se inicia con la descripción de las medidas de protección contra descargas por contacto directo y posteriormente las medidas por contacto indirecto. En este último se describen las tres configuraciones TT, TN e T; las cuales permiten explicar de qué manera las protecciones eléctricas detectan la corriente de falla para interrumpir el suministro y disminuir el tiempo de energización de las partes de los equipos eléctricos, que hacen contacto con las personas que los manipulan y finalmente evitan una descarga o choque eléctrico.
Desarrollo
Proteción contra contactos directos
Como ya se comentó, la descarga eléctrica por contacto
directo se presenta cuando una persona toca directamente
la parte energizada desprotegida de un equipo, aparato
o instalación. La protección en este caso se lleva a cabo
mediante los siguientes métodos o medidas.
- Protección a través de aislamiento
- Protección a través de barreras o carcasas
- Protección usando obstáculo
- Protección por distancia
- Protección por seguridad extra de bajo voltaje
- Protección limitante de la descarga de energía
-
Protección a través de aislamiento
Esta medida consiste en cubrir las partes vivas con aislamiento de un equipo, el cual puede ser removido por desmantelamiento o por destrucción. -
Protección a través de barreras o carcasas
En este caso las partes vivas son ubicadas detrás de barreras o dentro de carcasas. -
Protección usando obstáculo
La protección se logra a través de barandales, rejillas, etc., que impiden el acceso a las partes energizadas. -
Protección por distancia
Si las partes conductoras tienen diferente potencial eléctrico como es el caso de las redes aéreas, las fases deben estar separadas entre sí y separadas del alcance del ser humano. -
Protección por seguridad extra de bajo voltaje
La protección se realiza con el manejo de tensiones bajas que no provocan daños al ser humano. -
Protección limitante de la descarga de energía
Esta protección se utiliza en dispositivos especiales dedicados a la electroterapia.
Protección contra contacto indirecto
El contacto indirecto ocurre cuando una persona toca una
parte conductora de metal que se ha energizado accidentalmente
(falla de aislamiento en un dispositivo o una
máquina eléctrica). Por lo tanto, es importante detectar y
eliminar esta falla rápidamente, antes de que la persona
entre en contacto con la parte conductora de metal. La protección contra el contacto indirecto se basa
en combinar
medidas que afectan tanto a las características del equipo
(Clase 0, I, II o III), como la construcción de la instalación
(desconexión automática, aislamiento adicional, SELV, etc.),
las cuales se verán brevemente a continuación.
Clases de protección contra contacto indirecto
Clase 0
No se conectan las partes metálicas a tierra. Si falla el aislamiento,
las partes metálicas pueden energizarse. Ver Figura 1.
Figura 1. Ejemplo de protección Clase 0.
Clase I
Además de la protección a través del aislamiento principal, las partes metálicas expuestas y accesibles se encuentran conectadas a tierra. El diseño de Clase I asume equipotencialidad de las partes conductoras expuestas accesibles simultáneamente, continuidad de las partes conductoras expuestas entre sí, confiabilidad de los dispositivos de conexión y suficiente conductividad para la circulación de las corrientes de falla. Ver Figura 2.
Figura 2. Ejemplo de protección Clase I.
Clase II
La protección se basa en la baja probabilidad de una falla simultánea de ambos aislamientos que componen el doble aislamiento. En principio, el doble aislamiento se logra mediante la construcción, agregando un aislamiento secundario al aislamiento primario (o aislamiento principal). Por lo general, debe ser posible probar ambos aislamientos de forma independiente. Si hay partes metálicas accesibles, en ningún caso se deben conectar a tierra. Ver la Figura 3.
Figura 3. Ejemplo de protección Clase II.
Clase III
Un aparato de Clase III está diseñado para ser alimentado por una fuente de alimentación SELV (por sus
siglas en
inglés: "Safety Extra-Low Voltage", extra bajo voltaje seguro).
La tensión de una fuente de SELV es lo suficientemente baja
para que, en condiciones normales, una persona puede
entrar en contacto con ella sin correr el riesgo de descarga
eléctrica. Por tanto, no es necesario incorporar la seguridad
que llevan los aparatos de Clase I y Clase II.
Protección por desconexión automática del suministro de energía
Las partes metálicas expuestas de los equipos, tales como
las carcasas, cubiertas o gabinetes, son conectadas a tierra
a través de un conductor llamado conductor de protección.
Todos estos conductores son interconectados para crear un
anillo de falla. Este anillo se diseña para la circulación de
la corriente que surge después de una falla de aislamiento.
La corriente de falla puede o no ser llevada a tierra, dependiendo del sistema de puesta a tierra del
neutro, pero en
todos los casos el objetivo es mantener la tensión de las
partes conductoras expuestas a un valor por debajo de la
tensión límite convencional de 50 V.
El valor de la corriente de falla determinará el dispositivo
de corte a utilizar en cada caso:
- Dispositivo de sobrecorriente para interrumpir una corriente alta similar a un cortocircuito en un sistema TN.
- Dispositivo de corriente residual para romper una corriente de falla baja en un sistema TT.
- No es necesario interrumpir la primera corriente de falla en un sistema de IT, ya que es muy baja.
En la siguiente sección se definen las siglas TT, TN e IT.
La aplicación de la medida de protección de desconectar la
fuente de alimentación implica el uso de equipos de Clase I.
Sistemas de distribución en baja tensión
La red de baja tensión puede tener tres configuraciones,
dependiendo de la forma de realizar la puesta a tierra
de las cubiertas metálicas de equipos y del neutro del
transformador.
Las tres configuraciones se identifican mediante una
nomenclatura utilizando dos letras mayúsculas.
La primera letra indica la conexión del neutro del transformador
del lado de baja tensión con respecto a tierra:
- T: indica que el neutro del transformador está conectado a tierra.
- I: indica que el neutro del transformador está aislado de tierra o está conectado a tierra a través de una impedancia de valor elevado.
La segunda letra indica la forma de conectar a tierra las cubiertas metálicas de los equipos:
- T: la cubierta metálica se encuentra conectada a tierra directamente.
- N: la cubierta metálica es conectada a tierra a través del neutro del transformador.
Sistema de distribución TT
En el sistema TT, el neutro del transformador se conecta a tierra utilizando una puesta a tierra eléctricamente independiente de la puesta a tierra de las cubiertas o carcasas metálicas de los equipos instalados en la red de baja tensión. Tal como se puede observar en la Figura 4.
Figura 4. Sistema de baja tensión TT.
Sistema de distribución TN
En el sistema TN se dispone de una única puesta a tierra, donde se conecta el neutro del transformador y las cubiertas o carcasas metálicas de los equipos. Es decir, que se utiliza un único conductor como neutro y como protección. Tal como se puede observar en la Figura 5.
Figura 5. Sistema de baja tensión TN.
Sistema de distribución IT
En el sistema IT todas las partes activas están aisladas de tierra (o flotando), incluido el neutro del transformador. Mientras que las cubiertas metálicas de los equipos se encuentran conectadas directamente a tierra. Tal como se observa en la Figura 6.
Figura 6. Sistema de baja tensión IT.
Operación de la protección en configuración TT
Cuando se presenta una falla del aislamiento de un equipo, la corriente de falla (If) circula a través del anillo de falla que se forma a través del punto de falla, el conductor de puesta a tierra o conductor de protección y la tierra. Este anillo se cierra a través del conductor de fase, el devanado del transformador y la conexión a tierra del neutro del transformador, tal como se muestra con líneas punteadas en la Figura 7.
Figura 7. Principio de operación de la protección en configuración TT.
La impedancia del anillo de falla debe calcularse a partir
de todos los elementos en serie que componen este anillo.
Sin embargo, y de acuerdo con lo que permiten las normas,
solo se considera la resistencia de la conexión a tierra de las partes conductoras expuestas, RA. Esto
significa que
la corriente de falla se sobreestima ligeramente, pero el
margen de seguridad aumenta. La condición (RA)(If)
< 50 V debe cumplirse para instalaciones de corriente alterna.
Operación de la protección en configuración TN
En caso de una falla en cualquier punto de la instalación
que afecte a un conductor de fase y al conductor de protección
o una parte conductora expuesta, la fuente de alimentación
debe desconectarse automáticamente dentro
del tiempo de desconexión especificado t y debe cumplirse
la condición (Zs)(Ia) < U0. Ver la Figura 8.
Figura 8. Principio de operación de la protección en configuración TN.
Donde:
Zs: impedancia del anillo de falla que incluye la línea de
alimentación, el conductor de protección y la fuente
(devanados del transformador).
Ia: corriente de funcionamiento del dispositivo de protección
en el tiempo especificado.
U0: tensión nominal, fase a tierra.
Operación de la protección en configuración IT
Cuando ocurre una falla de aislamiento se produce una
corriente por el anillo que se forma entre el conductor de
fase que alimenta al equipo, la puesta a tierra de la carcasa,
el retorno por las fugas capacitivas de fase a tierra de
la instalación y por las fases del secundario del transformador,
tal como se puede observar en la Figura 9.
Figura 9. Principio de operación de la protección en configuración IT.
Tomando en cuenta el valor de las impedancias capacitivas a tierra, se puede asegurar que las corrientes de una primera falla a tierra en un sistema IT son del orden de decenas o centenas de mA. Este primer defecto de aislamiento o falla no genera una tensión de contacto peligrosa y la instalación puede mantenerse operando, pero es importante realizar las siguientes consideraciones de diseño y operativas:
- Se debe generar una alarma acústica y visual.
- Localizar la falla y corregirla lo más pronto posible, ya que se puede presentar una segunda falla o defecto de aislamiento de una fase diferente y originar un riesgo para el ser humano.
Conclusiones
En este artículo se revisan las medidas de protección contra
el riesgo de descarga eléctrica, de acuerdo con la forma
en que se presentan: por contacto directo y por contacto
indirecto. Para el desarrollo del tema de descargas por contacto
indirecto, previamente se describieron los tres tipos
de sistemas de distribución eléctrica que varían de acuerdo
con la conexión del neutro de la fuente, es decir, se definen
las configuraciones TT, TN e IT. Posteriormente, se explicó
el mecanismo para detectar las corrientes de falla que se
producen cuando el medio aislante de las partes energizadas
falla o pierde sus propiedades aislantes y provoca
que se energicen las cubiertas o carcasas metálicas de los
equipos que se encuentran conectados a la red eléctrica.
Estos esquemas de protección establecen que se produzca
un anillo y circule la corriente de falla. Esta corriente es
detectada por los medios de protección que actúan para
interrumpir el flujo de potencia de suministro y finalmente
se evite la descarga eléctrica a la persona que hace contacto
con el equipo energizado.
Este artículo es el último de una serie de tres artículos que
se publicaron con la intención de dar a conocer el tema de
las descargas eléctricas o choque eléctrico. En el primero
se definió qué es una descarga eléctrica, en el segundo
se describió cuáles son los efectos que provocan al ser
humano y en este último se describieron las medidas de
protección contra estas descargas. Por lo que se ha proporcionado
la información completa de todo lo relacionado
al tema de las descargas eléctricas, las cuales se pueden
presentar en el hogar, la oficina, el taller, la industria, en
la vía pública y en todos los lugares donde se utilice la
energía eléctrica.
El Instituto Nacional de Electricidad y Energías Limpias
(INEEL) continúa con la divulgación a todas las áreas donde
se hace uso de la energía eléctrica para prevenir accidentes
que discapacitan y, en la mayoría de los casos, quitan la
vida.
Autores:
Edgar Pérez Hernández, eperez@ineel.mx
Isaías Ramírez Vázquez, iramirez@ineel.mx
Hebert Godínez Enríquez, hgodinez@ineel.mx