Esquema IT

El esquema IT puede usarse si el centro de transformación es de abonado (del cliente), o también, establecerse en parte o partes de una instalación alimentada directamente de una red de distribución pública mediante el uso de transformadores adecuados.

De todos los sistemas de conexión del neutro y de las masas, el esquema IT es el único que, en caso de un primer defecto a tierra, permite que la instalación continúe funcionando.

En este esquema el neutro de la alimentación está aislado y no conectado a tierra, o bien conectado mediante una impedancia a tierra, mientras que las masas metálicas de los receptores están conectadas a la tierra de la instalación.

El esquema IT recibe el nombre de neutro aislado, si el neutro no se pone a tierra, o neutro impedante, si el neutro se pone a tierra mediante una impedancia.

La corriente I_d resultante de un primer defecto fase-masa o fase-tierra, tiene un valor lo suficientemente reducido como para no provocar la aparición de tensiones de defecto peligrosas no siendo necesario el corte de la instalación.

Un segundo defecto provoca corrientes de cortocircuito muy grandes, siendo imperativo el corte automático de la instalación.

Además, el esquema IT puede estar prescrito o recomendado por reglamentos oficiales. Por ej: el REBT, lo prescribe en la ITC-BT-38 para salas de operación o de anestesia.

El sistema utilizado para dichos equipos es el de neutro aislado IT. Este sistema consta de un transformador de aislamiento situado en el cuadro eléctrico que alimenta dichos equipos. También de un vigilador o Controlador Permanente de Aislamiento (CPA), en el cuadro eléctrico.

A continuación, analizamos el recorrido de la corriente de defecto Id en esquemas IT con neutro aislado (neutro no conectado a tierra) o con neutro impedante (conectado a tierra mediante una impedancia).

Corriente para Un Solo Defecto a Tierra en el Esquema IT

Determinar el valor de la corriente de defecto en un esquema IT, con un solo defecto a tierra, requiere analizar el recorrido de la corriente. Este recorrido será diferente según se trate del esquema con neutro aislado o del esquema con neutro impedante.

Recorrido de la Corriente para Un Solo Defecto en el Esquema IT con Neutro Aislado

La red está realmente conectada a tierra a través de la impedancia de fuga de la red Z_C. Esta impedancia es debida a la capacidad C y resistencia R de aislamiento de los cables. Como ningún aislamiento es perfecto, siempre podremos considerar una impedancia de fuga a tierra Z_C de forma natural.

Para un cable trifásico esta impedancia se caracteriza por los siguientes valores típicos: C = 1 μF/km y R = 1 MΩ/km a 50 Hz.

La rama resistiva está en paralelo con la capacitiva. Como la reactancia de los condensadores X_C (Ω) es mucho menor que la resistencia R de aislamiento (MΩ), podremos despreciar R. Esto es así porque, en paralelo, la impedancia resultante se acerca a la impedancia de menor valor. Entonces, la impedancia de fuga a tierra Z_C = X_C.

Por tanto, una corriente de defecto Id en una fase provocará un circuito cerrado a través de dicha impedancia de fuga Z_C = X_C.

En la siguiente figura se observa que hay un defecto en la fase L3. La corriente de defecto I_d a tierra se bifurca en 2 corrientes I_d1 y I_d2 a través de la impedancia de fuga Z_C. En este caso, la impedancia Z_C está constituida por las capacidades C1 y C2 de las fases L1 y L2. Por estas capacidades se cierra el circuito de defecto a través del transformador.

Una red con cable trifásico de 1 km de longitud se caracteriza por tener una R = 1 MΩ/km y C = 1 μF/km. Si consideramos solo la reactancia capacitiva X_C, obtendremos aproximadamente la impedancia de fuga a tierra de los conductores Z_C = X_C, que puede estar en torno a los 3.200 Ω.

Recorrido de la Corriente para Un Solo Defecto en el Esquema IT con Neutro Impedante

En este esquema IT con neutro impedante se conecta el neutro a tierra mediante una impedancia Zn de valores típicos de 1.000 a 2.000 Ω.

Esta impedancia Zn queda en paralelo con la impedancia de fuga a tierra de los conductores Z_C. Con esto disminuimos la impedancia del bucle de defecto, aumentando algo la corriente de defecto I_d.

Ahora, con una fase en defecto, se provocaría un circuito cerrado en el que habría 2 caminos para la corriente de defecto Id.

En la figura se observa que hay un defecto en la fase L3. La corriente se cierra a través de la impedancia Zn puesta en el neutro y a través de la impedancia de fuga Z_C por las fases L1 y L2. Eléctricamente, quedarán ambas impedancias en paralelo Z_C // Zn.

Por ejemplo, si consideramos 1 km de cable con impedancia de fuga Z_C de unos 3.200 Ω y la impedancia conectada en el neutro Zn es de 1.000 Ω, la impedancia global a tierra, que sería el paralelo de ambas Z_C // Zn, tendría un valor aproximado de: 3.200 // 1.000 ≅ 762 Ω. Habríamos conseguido bajar la impedancia a tierra de 3.200 Ω a 762 Ω.

En un esquema IT con neutro aislado de tierra, la corriente de fuga a tierra Id puede ser muy baja y difícil de detectar. Esto ocurre especialmente en las instalaciones de corta longitud, dificultando la localización del defecto por parte del CPA.

Sin embargo, con la impedancia en el neutro Zn en el esquema IT con neutro impedante, se consigue un aumento global de la corriente de defecto I_d. Así, se genera una caída de tensión en dicha impedancia Zn que ayuda al controlador permanente de aislamiento a localizar el defecto de manera precisa.

Influencia de la Longitud para Un Solo Defecto a Tierra en el Esquema IT

Para la correcta configuración de un esquema IT se ha de llevar especial atención a la longitud de los circuitos:

– Esquema IT de poca longitud: si la red es de corta longitud, la intensidad de un primer defecto fase-masa o fase tierra I_d puede ser excesivamente pequeña para ser detectada por el controlador permanente de aislamiento. Al ser mucho más pequeña la capacidad C, provocará una impedancia Z_C muy grande (la capacidad C es inversa a la reactancia X_C) limitando la corriente de defecto I_d.

– Esquema IT de gran longitud: en redes de mucha longitud, la intensidad de un primer defecto fase-masa o fase tierra I_d podría alcanzar valores grandes. Al aumentar la capacidad C de los conductores, la impedancia de fuga a tierra Z_C de estos bajará mucho, pudiendo provocar una tensión de defecto V_d peligrosa en las masas.

Valor de la Corriente para Un Solo Defecto en el Esquema IT con Neutro Aislado

Si se produce un único defecto a tierra, la corriente de defecto I_d es muy baja y no es imperativo el corte. Si hay un defecto de aislamiento en una fase, se cierra el circuito a través de la impedancia de fuga a tierra de los conductores Z_C.

Veamos el siguiente ejemplo para ver qué valor aproximado puede tomar la corriente de defecto Id cuando se produce un solo defecto de una fase a masa en un esquema IT:

Suponemos que la tensión del transformador es de V_LN = 230 V y solo consideramos la resistencia de tierra R_A = R_T = 5 Ω. Por no tener toma de tierra el neutro, la R_N = 0 Ω. La línea es trifásica y de 2 km de longitud. Si 1 km de cable tiene una impedancia de fuga Z_C de 3.200 Ω, una longitud de 2 km tendrá una Z_C = 1.600 Ω.

Si el neutro está aislado de tierra, podremos representar la impedancia de fuga a tierra Z_C como si el neutro estuviera a tierra con dicha impedancia.

Aplicamos la Ley de Ohm, considerando las 2 impedancias del bucle de defecto Z_C = 1.600 Ω y R_A = R_T = 5 Ω. Obtendremos una intensidad de defecto I_d de:

Y la tensión de defecto V_d en la masa será de:

Por lo tanto, no hay peligro para las personas cuando una fase se pone a tierra. Esta tensión no es peligrosa, por lo que la instalación puede mantenerse en servicio.

Valor de la Corriente para Un Solo Defecto en el Esquema IT con Neutro Impedante

En este caso, al añadir una impedancia en el neutro, de valor típico entre 1.000 a 2.000 Ω, la situación apenas se ve alterada. Lo que conseguimos es aumentar el valor de la corriente de defecto I_d. La tensión de defecto V_d también aumentará, pero sin llegar a tener un valor peligroso, generalmente.

Por ejemplo, ahora añadimos en el neutro una impedancia de Zn = 1.000 Ω. Consideramos la misma longitud de 2 km que en el caso anterior, correspondiente a Z_C = 1.600 Ω. La impedancia Zn queda en paralelo con la impedancia de fuga a tierra de los conductores Z_C.

El paralelo de ambas impedancias da un valor de:

Aplicamos la Ley de Ohm, considerando las 2 impedancias del bucle de defecto Z_C//Zn = 615 Ω y R_A = R_T = 5 Ω. Obtendremos una intensidad de defecto I_d que observamos que se ha incrementado:

La tensión de defecto V_d será entonces de:

Igualmente, la tensión de defecto no resulta peligrosa y la instalación puede mantenerse en servicio.

La presencia de un primer defecto de aislamiento exige una búsqueda inmediata del fallo para evitar la ocurrencia de un segundo defecto en otro conductor. Esto provocaría la interrupción del suministro eléctrico.

Por tanto, para asegurar la continuidad del servicio, es imprescindible detectar y señalar el primer defecto, según lo establecido en el REBT. Para ello, se utiliza un aparato conocido como Controlador Permanente de Aislamiento (CPA).

El Controlador Permanente de Aislamiento

El Controlador Permanente de Aislamiento o CPA es un aparato que supervisa todos los conductores activos, incluido el neutro. El aparato indica la aparición de un primer defecto mediante la activación de una señal acústica o visual. La instalación puede seguir funcionando, pero hay que buscar el fallo de aislamiento para evitar que se produzca un segundo defecto.

Si el neutro es aislado, el CPA se colocará entre el neutro y la tierra, tal como se observa en la figura.

Si el neutro es impedante se colocará igualmente entre neutro y tierra, pero en paralelo con la impedancia Zn puesta en el neutro.

El CPA dispone de un generador de tensión, generalmente de CA y de una frecuencia diferente a 50 Hz que se superpone a la de la red.

Si hay un defecto de aislamiento en algún cable, el circuito se cerrará a través de la impedancia de fuga Z_C. Esto producirá una corriente de medida. Esta corriente de medida provocará una caída de tensión en una resistencia interna del CPA, que será analizada por el aparato.

Si la caída de tensión supera un umbral preestablecido, equivalente a una resistencia de aislamiento específica, el CPA cerrará un contacto para señalizar la alarma y dar el aviso.

Si la red fuera de corta longitud (transformador muy cercano a la instalación), la impedancia de fuga a tierra de los conductores Z_C sería muy alta. En este caso, podría ocurrir que la corriente de salida del generador del CPA fuera demasiado pequeña para medirla con precisión.

Para solucionar esto, se usa el sistema IT con neutro impedante Zn. Así, se consigue bajar la impedancia global a tierra (Z_C // Zn), pudiendo ser esta corriente mayor.

Aparato de Búsqueda de un Defecto a Tierra

Existen aparatos que permiten la búsqueda del primer defecto sin abrir los circuitos. Como se conoce la frecuencia de la corriente inyectada por el CPA, el aparato de búsqueda dispone de unos cuantos captadores magnéticos con un amplificador adecuado a la frecuencia de la corriente inyectada.

Con el aparato de búsqueda, similar a una pinza amperimétrica, se va siguiendo el recorrido hasta el punto del defecto. En la siguiente figura se observa cómo el aparato indica el fallo solamente cuando se coloca en la línea con el defecto a tierra.

Condición para Un Solo Defecto en el Esquema IT

La ITC-BT-24 indica que, para la protección a contactos indirectos CI en un esquema IT, en caso de un solo defecto a tierra, no es imperativo el corte.

Para ello, tendremos que asegurarnos de que la tensión que aparece en las masas (tensión de defecto R_A · I_d), no supere la tensión de seguridad. En este caso debe cumplir la siguiente condición:

siendo:

R_A = resistencia de la instalación de tierra (incluye R_p de los conductores de protección de masas y R_T de la toma de tierra)

I_d = corriente de defecto para un defecto franco (sin resistencia de contacto) entre conductor de fase y masa.

U = tensión de contacto límite o tensión de seguridad (50, 24 V u otras).

Corriente para un Segundo Defecto a Tierra en el Esquema IT

En un segundo defecto a tierra, la corriente de defecto I_d que aparece no depende de la conexión del neutro (aislado o impedante). Esta corriente de defecto I_d no se va a cerrar por el transformador a través de la resistencia de tierra de la instalación, sino que se va a cerrar por los propios cables de la alimentación.

Si se produce un segundo defecto de aislamiento fase-tierra en una fase distinta a la del primer defecto, sin haber eliminado el primer fallo, se producirá una corriente de defecto I_d que es de cortocircuito entre fases. Esta corriente de defecto I_d es muy alta y es imperativo el corte.

El doble defecto puede ocurrir no solo entre 2 fases y masa, sino también como un defecto fase-masa y neutro-masa simultáneamente. Esto sucede cuando tanto la fase como el neutro entran en contacto con las masas, generando un doble fallo con un impacto similar al de un doble defecto entre 2 fases y masa.

La principal diferencia entre un doble defecto entre 2 fases y masa, y un doble defecto fase-masa y neutro-masa, radica en la tensión que interviene. En el primer caso, se involucra la tensión compuesta, mientras que en el segundo, la tensión simple.

Condición de Corte Automático para Un Segundo Defecto en el Esquema IT

Como la corriente de defecto I_d depende de la longitud de las líneas, es necesario comprobar que esta corriente sea suficientemente grande, como para superar la intensidad “Ia” de apertura instantánea del elemento de corte utilizado. Es decir, debería cumplir la condición: I_d > I_a.

Esta condición viene expresada en la ITC-BT-24 del REBT, de la siguiente forma:

2 · Z_s · I_a ⇒ U, siendo:

Z_S = impedancia de una fase y del conductor de protección, si el neutro no se distribuye, o bien, impedancia del neutro y conductor de protección, si el neutro se distribuye.

I_a = corriente que garantiza el funcionamiento del dispositivo de protección (interruptor automático, fusible o interruptor diferencial) en un tiempo t (ver tabla más adelante).

U = tensión compuesta si el defecto es entre 2 fases o la tensión simple si el defecto es entre fase y neutro (ver siguientes esquemas de neutro no distribuido y distribuido).

Operando con la expresión anterior se obtiene:

Es decir, que la corriente de defecto I_d es:

Se observa que se ha aplicado la Ley de Ohm. La corriente de defecto I_d es el voltaje dividido por la impedancia del bucle de defecto (2 · Zs) o impedancias que recorre dicha corriente.

No obstante, esta condición no podrá ser aplicada a todos los esquemas IT. Dependerá de la forma de interconectar las masas a tierra (tal y como se observa en el siguiente apartado).

En cualquier caso, sea cual sea el esquema IT trataremos de asegurar que la corriente de defecto I_d supere a la corriente “Ia” que abre el dispositivo de protección en un tiempo máximo. Por tanto, para facilitar el cálculo, aplicaremos la condición como:

Interconexión de las Masas a Tierra

El trayecto de la corriente de defecto I_d cambiará según la forma de conectar las masas. Si las masas van conectadas entre sí y a tierra (caso habitual), o de si las masas van conectadas a tierra individualmente o por grupos.

● Masas conectadas entre sí y a tierra: en este caso se podría considerar la impedancia del bucle de defecto como 2 · Zs.

● Masas a tierra individualmente o por grupos: en este caso, NO se podría considerar la impedancia del bucle de defecto como 2 · Zs, porque la corriente de defecto Id circulará también por las resistencias de las puestas a tierra R_T.

Realmente, en este caso, las condiciones de protección serían las del esquema TT. Sería necesaria la apertura automática de la instalación si la tensión de defecto V_d en alguna de las masas supera los 50 V en locales secos o 24 V en locales húmedos.

Además, tal como indica el REBT, en esquemas IT con masas a tierra individualmente o por grupos, el neutro no debe ponerse a tierra (debe ser esquema IT con neutro aislado).

Tiempo Máximo de Corte para Un Segundo Defecto en el Esquema IT

El tiempo máximo permitido de corte del dispositivo de protección, según la ITC-BT-24, depende de la tensión nominal de la instalación y de si el neutro se distribuye o no. En este sentido, es importante tener en cuenta si el dispositivo de protección tiene programado algún retardo de disparo.

Dispositivo de Corte Automático para Un Segundo Defecto en el Esquema IT

En cuanto al tipo de dispositivo de protección adecuado para realizar el corte automático en caso de un segundo fallo, tenemos las siguientes opciones:

– Interruptor automático: la zona magnética cumple con el tiempo de la tabla anterior. La corriente “Ia”, para aplicar la condición de corte, sería Ia = I_mag, siendo I_mag el umbral de disparo seguro del magnetotérmico según el tipo de curva de este (5 · In para tipo B, 10 · In para tipo C y 20 · In para tipo D).

– Interruptor diferencial: si se supera su sensibilidad también cumple con este tiempo. La corriente “Ia” sería su sensibilidad.

– Fusible: debemos verificar que su tiempo de fusión sea inferior al tiempo límite establecido en la tabla anterior. Para determinar la corriente de fusión necesaria “Ia”, consultamos la curva característica del fusible, introduciendo el tiempo límite en el eje vertical y obteniendo la correspondiente corriente de fusión “Ia” en el eje horizontal.

Recorrido de la Corriente para Un Segundo Defecto con Neutro No Distribuido

Ahora, analizamos el recorrido que hace la corriente de defecto Id y la tensión que interviene, en un segundo defecto para un esquema IT con neutro NO distribuido.

En la siguiente figura se observa la corriente de defecto I_d en un esquema IT con masas conectadas a la misma toma de tierra y neutro no distribuido.

La tensión que interviene será la tensión compuesta U entre las fases L1 y L3. La corriente de defecto I_d circula por los conductores de línea L1 y L3 y por los conductores de protección. Sin embargo, no circula por la resistencia de puesta a tierra R_T de la instalación.

Recorrido de la Corriente para Un Segundo Defecto con Neutro Distribuido

El REBT también indica que: “en este tipo de esquema se recomienda no distribuir el neutro en trifásica”. La razón es que, un doble defecto fase-neutro a tierra, producirá una sobretensión.

Efectivamente, si en un circuito se produce un defecto en una fase y en otro circuito un defecto en el neutro, la tensión de este puede incrementarse hasta alcanzar incluso el valor de la tensión simple. Como consecuencia, las otras fases tenderán a incrementar su valor.

En la siguiente figura, se observa la corriente de segundo defecto Id y la tensión que interviene, en un esquema IT con masas conectadas a la misma toma de tierra y neutro distribuido.

La tensión que interviene será la tensión simple U₀ entre las fases L1 y N. Igualmente, la corriente de defecto I_d no circula por la resistencia de puesta a tierra R_T de la instalación.

Recomendaciones para la Instalación del Esquema IT

El esquema IT ofrece ventajas como la alta continuidad de servicio y la minimización de corrientes de defecto. No obstante, requiere una mayor complejidad en la implementación y mantenimiento.

Hay aspectos importantes a tener en cuenta en el diseño, como:

– La limitación de la extensión de la instalación.

– El uso de interruptores diferenciales cuando no sea posible el corte mediante dispositivos de sobreintensidades (interruptores automáticos o fusibles).

– La distribución del neutro.

Límite de la Extensión de la Instalación

El REBT indica que: “puede resultar necesario limitar la extensión de la instalación para disminuir el efecto capacitivo de los cables con respecto a tierra”.

Efectivamente, si la longitud de las líneas es muy grande:

● La intensidad de un primer defecto I_d es alta: al aumentar la capacidad C de los conductores, la impedancia de fuga a tierra de estos Z_C bajaría mucho. Esto provocaría un aumento de la corriente de defecto I_d pudiendo llegar a ser peligrosa la tensión de defecto V_d en las masas.

● La intensidad de un segundo defecto I_d es baja: al aumentar la resistencia de los conductores con la longitud, la corriente de defecto I_d puede no ser suficientemente grande. Esto podría provocar que un interruptor magnetotérmico no alcance su zona magnética o que un fusible tarde en cortar más tiempo del máximo permitido. Podría existir riesgo de incendio.

Esto puede solucionarse de estas 3 formas:

– Disminuir la longitud de la línea: conseguimos que disminuya la I_d en un primer defecto (aumentamos Zc) y que la tensión de defecto V_d no sea peligrosa. También se consigue que aumente la intensidad I_d de un segundo defecto, para que el magnetotérmico corte.

– Aumentar la sección de los conductores: conseguimos que aumente la intensidad I_d de un segundo defecto, para que el magnetotérmico corte.

– Instalar interruptores diferenciales de baja sensibilidad (I_∆N de 1 a 30 A): nos aseguramos el disparo instantáneo, solo para el caso de que se produzcan los 2 defectos en 2 circuitos diferentes. En este caso dispondrá de un diferencial en cada circuito.

Instalación de Diferenciales Cuando Sea Necesario

Si no se cumple la condición de corte automático para un segundo defecto mediante dispositivos de sobreintensidades (interruptores automáticos o fusibles), se utilizarán dispositivos de corriente diferencial-residual.

A continuación, analizamos qué puede ocurrir en el caso de una línea muy larga. En este caso, la corriente I_d no será muy elevada para un segundo defecto. Veremos que hay una diferencia importante si el doble defecto se produce en diferente circuito o en el mismo circuito.

● Doble defecto en diferente circuito: si el magnetotérmico o fusible no cortase por ser I_d ≤ I_a, podríamos poner un diferencial en cada uno de los 2 circuitos. Esto provocaría siempre el corte ante un doble defecto, pues cada uno de los diferenciales detectaría esa diferencia de corriente Id entre fase y neutro.

En la siguiente figura puede observarse que cada diferencial (PR1 y PR2) cortaría la instalación. Por ambos circuitos circulan corriente diferentes por fase y neutro.

● Doble defecto en el mismo circuito: si por el mismo motivo anterior hubiéramos puesto un diferencial en cada uno de los 2 circuitos, si se produjeran los 2 defectos en el mismo circuito, el diferencial correspondiente NO abriría.

En la siguiente figura puede observarse que el diferencial (PR1) no cortaría la instalación. Circula la misma corriente por fase y neutro (no detecta diferencia).

En este caso, la protección contra 2 defectos en el mismo circuito dependerá de otros dispositivos de protección (usualmente de magnetotérmicos) o de limitar la extensión de las líneas.

No Distribución del Neutro

En transformadores trifásicos se recomienda no distribuir el neutro. Si se produce un defecto en la fase de un circuito y simultáneamente en el neutro de otro circuito, la tensión de este podría aumentar incluso hasta alcanzar el valor de la tensión simple. Como resultado, las otras fases experimentarían un incremento de su valor.

Ejercicios Resueltos del Esquema IT: Con Neutro Aislado y con Neutro Impedante

A continuación, se presentan 4 ejercicios resueltos del esquema IT con neutro aislado y con neutro impedante:

Ventajas e Inconvenientes del Esquema IT

Uno de los principales beneficios del esquema IT es su capacidad para mantener la continuidad del suministro eléctrico, incluso en caso de un fallo a tierra. Un defecto a tierra no provoca una desconexión automática de la alimentación, lo que asegura la continuidad del servicio en situaciones críticas.

Puede ser muy adecuado para instalaciones donde existe un alto riesgo de incendio. Esto de debe a su capacidad para limitar la corriente de un primer defecto y reducir la probabilidad de chispas.

Además, la localización de defectos a tierra es sencilla con los dispositivos correspondientes.

Como desventajas, podríamos decir que requiere un cálculo preciso de longitudes máximas de líneas siendo aconsejable limitar la extensión a lo estrictamente necesario. También, que es muy susceptible a las perturbaciones electromagnéticas.

Además, precisa la presencia de personal de mantenimiento y necesita un transformador propio y un controlador permanente de aislamiento CPA.

Aun así, el coste de estos elementos puede recuperarse en muy poco tiempo gracias a las ganancias en productividad y mantenimiento.

Utilización del Esquema IT

El esquema IT prácticamente no se utiliza a nivel de distribución pública de BT por ser el más caro y complejo de implementar y mantener.

Se implementa en aplicaciones puntuales que requieran continuidad de servicio. Por ejemplo, en industrias con procesos altamente sensibles, centrales nucleares, aeropuertos, centros de control de tráfico aéreo, hospitales y en redes de alta tensión AT.

En España, el esquema IT se utiliza en áreas específicas en hospitales, aplicaciones industriales con requisitos de alta continuidad de servicio, embarcaciones, etc.

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