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UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERfA FACULTAD DE INGENIERÍA ELÉCTRICA Y ELECTRÓNICA

PROTECCIÓN EN BAJA TENSIÓN DE SISTEMAS ELÉCTRICOS 380/220V FRENTE A CONTACTOS ELÉCTRICOS INFORME DE SUFICIENCIA PARA OPTAR EL TITULO PROFESIONAL DE: INGENIERO ELECTRICISTA PRESENTADO POR: VfCTOR RAÚL GÓMEZ ALVA PROMOCIÓN 1990-1 LIMA-PERÚ 2003

Dedico este trabajo a: Mis Padres, que desde el cielo junto a Dios me Iluminaron para el desarrollo de este informe, a mis hijos Pablo y Leslie, y a mi esposa Verónica que en todo momento me asistieron con su gratitud y apoyo moral.

PROTECCIÓN EN BA.JA TENSIÓN DE SISTEMAS ELÉCTRICOS 380/220V FRENTE A CONTACTOS ELÉCTRICOS

SUMARIO

El presente informe tiene como alcance principalmente los tópicos relacionados con la protección de las personas frente a contactos eléctricos en las conexiones de baja tensión 380/220V y dar las recomendaciones de los sistemas eléctricos de conexión a tierra mas conveniente. Para adoptar las medidas de seguridad

a las personas frente a los contactos

eléctricos, es importante conocer el sistema de conexión a tierra del sistema de distribución y entre aquellas conexiones podemos encontrar los sistemas TT, TN, IT, así mismo deberá tomarse en cuenta las instalaciones de los usuarios particulares. Las redes de distribución de baja tensión de nuestro sistema de distribución eléctrica de la ciudad de Lima en su mayor parte están conformadas por un sistema aislado en 220V, es decir no existe ningún punto conectado a tierra en las subestaciones de distribución y en muchos casos tampoco existe un punto de conexión a tierra en las instalaciones de los usuarios particulares. Es nuestro anhelo que este informe ayude a los alumnos y profesionales de la especialidad, a reflexionar sobre la importancia de los requerimientos de puesta a tierra de nuestro sistema de distribución que ayudara mucho para la seguridad de la vida de las personas.

ÍNDICE

Pág. PROLOGO

1

CAPÍTULO! SISTEMAS ELÉCTRICOS DE CONEXIÓN A TIERRA

4

1.1

Sistema Eléctrico TI

6

1.2

Sistema Eléctrico TN

7

1.3

Sistema Eléctrico 1T

9

CAPITULO U RIESGOS DE LA CORRIENTE ELÉCTRICA

12

2.1

Riesgo de Accidentes Personales

13

2.2

Efectos de las Corrientes Eléctricas en los Seres Humanos

14

2.3

Corriente Eléctrica en Función del Tiempo de Exposición

14

2.4

Tensión Límite de Seguridad

16

2.5

Riesgo de Incendio

17

VI

CAPITULO DI SISTEMAS DE PROTECCIÓN CONTRA CONTACTOS ELÉCTRICOS 18 3.1

Contactos Eléctricos

18

3.1. 1 Contacto Directo

18

3.1.2 Contacto Indirecto

19

3.2

20

Sistemas de Protección contra Contactos Eléctricos Directos

3.2.1 Protección Completa

21

3.2.2 Protección Parcial

21

3.3

23

Sistemas de Protección contra Contactos Eléctricos Indirectos

3.3.1 Sistemas de Protección contra Contactos Indirectos de Clase A (No Nec�ita Corte de Alimentación)

25

3.3.2 Sistemas de Protección Contra Contactos Indirectos de Clase B

3.4

(Necesita Corte de Alimentación)

26

a) Sistema Eléctrico TN

28

b) Sistema Eléctrico TI

30

c) Sistema Eléctrico 1T

31

Frent� de Acción Contra los Contactos Eléctricos Indirectos

34

CAPITULO IV SISTEMAS DE PUESTA A TIERRA PARA CONEXIONES DE BAJA TENSIÓN

36

4.1

37

Descripción del Sistema de Distribución y Fallas a Tierra.

4.1.1 Sistemas de Conexión a Tierra

37

4.1.2 Fallas a Tierra

39

VII

4.2

Descripción de las Puestas a Tierra

41

4.2.1

Partes de las Puestas a Tierra en un Sistema de Distribución

41

a) Tomas a Tierra

42

b) Línea Principal de Tierra

42

c) Derivaciones de las Líneas Principales de Tierra.

42

4.2.2 Naturaleza y Constitución de los Electrodos.

43

4.2.3 Importancia de una Conexión a Tierra Efectiva

43

4.3

La Puesta a Tierra como Medio de Protección

44

4.4

Parámetros Admisibles

44

CAPITULO V PROTECCIÓN DIFERENCIAL

46

5.1

Principio de Funcionamiento

47

5.2

Normalización de los Protectores Diferenciales

49

5.3

Tipos de Protectores Diferenciales

49

5.3.1

Interruptor Diferencial Tradicional

50

5.3.2 Interruptor Diferencial con Alto Poder de Inmunización (Hpi)

51

5.3.3 Block Diferencial

52

5.3.4 Disyuntor Diferencial

52

5.3.5 Rele Diferencial

53

5.4

Corriente de Ruptura Diferencial

54

5.5

Selectividad Diferencial

54

5.5.1

Condiciones de Selectividad

56

5.6

Conexionado del Protector Diferencial

58

VIII

5.7

5.8

Ubicación de los Interruptores Diferenciales en los Tableros de Distribución de los Usuarios Particulares

60

Protección Diferencial como Sistema Antihurto

62

CAPITULO VI ANÁLISIS DE LOS POSIBLES CONEXIONADOS 380/220V DE LAS INSTALACIONES DE LOS USUARIOS PARTICULARES

63

6.1

Corte y/o Apertura del Conductor Neutro en el Sistema 1N-C

63

6.2

Conductor de Enlace de Potencial de un Sistema Eléctrico TT

66

6.3

Masas de las Instalaciones sin Conexión al Conductor Neutro

66

6.4

Masas de las Instalaciones con Conexión al Conductor Neutro en cada Carga (Similar al Sistema 1N-C)

6.5

Masas de las Instalaciones con Conexión al Conductor Neutro en un Punto (Similar al Sistema 1N-S)

6.6

69

Masas de las Instalaciones con Conexión al Conductor de Protección (Sistema TT)

6. 7

68

70

Caja de Medición de luz y Conductor Neutro Conectados a Puesta a Tierra

73

RECOMENDACIONES

75

CONCLUSIONES

77

ANEXOS

79

A.

CÁLCULOS DE LA RESISTENCIA DE PUESTA A TIERRA

80

Al

Análisis de las características del terreno

80

A2

Relación entre resistencia de puesta a tierra y corriente de falla

IX

a traves del cuerpo.

82

A3

Formulas para el cálculo de la resistencia de puesta a tierra

84

A4

Premisas para el cálculo.

86

A5

Cálculo de las tensiones de toque y de paso admisibles

88

B

VALORES ASIGNADOS Y RESULTADOS

92

c

CASO PRACTICO DE DIAGRAMAS USANDO PROTECTORES DIFERENCIALES

CI

CURVAS DE FUNCIONAMIENTO DE INTERRUPTORES AUTOMÁTICOS Y DIFERENCIALES

D

E

95

99

CÓDIGO IP PARA LA IDENTIFICACIÓN DE LA CLASE DE PROTECCIÓN POR CARCASA

114

NORMAS EMPLEADAS EN ESTE INFORME

116

BlBLIOGRAFÍA

187

PRÓLOGO

El presente informe tiene como alcance principalmente los tópicos relacionados con la protección de las personas frente a contactos eléctricos en las diferentes conexiones de baja tensión de 380/220V y dar las recomendaciones del sistema eléctrico de conexión a tierra mas conveniente TT, TN o IT. El proceso de elección de una protección toma en cuenta primero las caracteristicas de la red en la que va a ser instalada, para lo cual deben adoptarse a los diferentes sistemas de conexión a tierra que puedan existir en una instalación, como son los sistemas TT, TN o IT. En este informe esta referido básicamente a la conexión a tierra de la alimentación de nuestro sistema de distribución eléctrica en baja tensión y las carcasas de las instalaciones de los usuarios particulares. Las redes de distribución de baja tensión de nuestro sistema de distribución eléctrica en su mayor parte están conformadas por un sistema aislado en 220V, es decir no existe ningún punto conectado a tierra en las subestaciones de distribución eléctrica y en muchos casos tampoco existe un punto de conexión a tierra en las instalaciones de los usuarios particulares.

2

De acuerdo a la regla 017.B del nuevo Código Nacional de Electricidad-Suministro que está en vigencia desde el lro de Julio del 2002, se establece el sistema 380/220 V de cuatro hilos con neutro puesto a tierra de manera efectiva, es decir con neutro multiaterrado (conforme se indica en la Nota 2 de la misma regla); tal sistema de tensión en el futuro serán adoptadas por las empresas de distribución eléctrica de nuestro medio para las nuevas electrificaciones. Y como parte complementaria para una mejor seguridad a las personas se utilizara los dispositivos de protección diferencial a fin de dar una mayor protección frente a los contactos eléctricos. Así como se estudiara las puestas a tierra de los usuarios particulares como medio de seguridad de las personas. Terminaremos este prologo con una breve descripción del contenido de este informe en sus diferentes capítulos: En el capitulo I se ofrece una visión general de los diferentes sistemas eléctricos de conexión a tierra así como el sistema mas conveniente para un sistema multi­ aterrado TT, TN, 1T. El capitulo II se refiere al riesgo de la corriente eléctrica y los efectos sobre la misma en los seres humanos considerando los limites de seguridad. El capitulo

m

se trata de un tema importantísimo sobre la protección contra

contactos eléctricos directos e indirectos y las medidas de protección en los sistemas de conexión a tierra TT, TN, IT. El capitulo IV esta referido a los sistemas de puesta a tierra como medio de protección de los seres humanos y la importancia de una conexión a tierra. En el capitulo V se describe la utilización de los equipos de protección diferencial. Terminaremos en el capitulo VI

haciendo un análisis general de los posibles

3

conexionados de las masas de las instalaciones de los usuarios particulares en los diferentes sistemas de conexión a tierra mas conveniente. Nota: A fin de fundamentar conceptos, se incluirán en el presente informe referencias a las recomendaciones internacionales del IEC, normas alemanas VDE, normas españolas UNE y así como el Código Nacional de Electricidad a fin de complementar la información suministrada.

CAPÍTULO! SISTEMAS ELÉCTRICOS DE CONEXIÓN A TIERRA

Para adoptar las medidas de protección contra contactos eléctricos y sobre intensidades, es importante conocer el sistema de conexión a tierra tanto del sistema de distribución así como de las instalaciones de los usuarios particulares. Los sistemas de conexión a tierra depende de cómo son las conexiones a tierra de la red de distribución que podrían ser los sistemas TT, TN, IT y de las masas o partes metálicas de las cargas. La protección deben adaptarse a los diferentes sistemas de conexión a tierra que podría existir en una instalación eléctrica. Las normas IEC 60364-4-41 "Electrical installations of buildings - Part 4-41: Protection for safety - Protection against electric shock" y UNE 20460/4-41: "Instalaciones eléctricas en edificios. Parte 4: Protección para garantizar la seguridad, Parte 41: Protección contra los choques eléctricos", señalan los sistemas

de distribución posibles de conexión entre el punto neutro del transformador y tierra, y entre las masas metálicas de las cargas y tierra llegándose a establecer las

siguientes codificaciones: TT, TN, IT.

5

Primera Letra Designa la situación de la puesta a tierra de la fuente de energía

T

Se requiere puesta a tierra directa.

I

Partes activas aisladas con respecto a

(Transformador de distribución).

tierra o conectado a través de una impedancia.

Segunda Letra Designa la situación de las masas

T

Masas conectadas directamente a tierra

de

N

Masas de las cargas conectadas al

conductoras

de

las

cargas

utilización con respecto a tierra

neutro de la fuente de energía.

Otras Letras Eventuales

s

Neutro (N) y conductor de protección (CP), conductores separados

C

Neutro (N) y conductor de protección

Situación relativa del conductor

(CP) funciones combinadas en

neutro y del conductor de protección

solo conductor (CPN). C-S

un

Neutro y conductor

de protección

tendidos

parcial

en

forma

como

conductor CPN y en parte separados.

6

La utilización de cualquiera de estos sistemas, esta definido por varios aspectos como pueden ser: las normas de cada país, la continuidad de servicio, flexibilidad para la ampliación de las instalaciones, mantenimiento, etc. Empezaremos a describir cada sistema de conexión a tierra tales como se indica continuación:

1.1

Sistema Eléctrico TT

El Código Nacional de Electricidad-Suministro vigente, en la regla O 17 .B establece el sistema de distribución de baja tensión 380/220 V de cuatro hilos multi aterrado. Este sistema corresponde al sistema de conexión a tierra tipo TT, el cual se describe a continuación. En el sistema TT el neutro del transformador está conectado directamente a tierra. Las masas o partes metálicas de las cargas o de las instalaciones de los usuarios están interconectadas entre si y puestas a tierra en un solo punto separado de la puesta a tierra del neutro del transformador Fig. 1. 1. En este sistema las intensidades de defecto fase-masa o fase-tierra pueden tener valores inferiores a las de cortocircuito, pero pueden ser suficientes para provocar la aparición de pequeñas tensiones que podrían ser peligrosas. En general, el circuito por donde circula la falla, incluye resistencia de paso a tierra en alguna parte del circuito de defecto. Es decir no se tienen en cuenta las posibles conexiones entre ambas zonas de toma de tierra para la determinación de las condiciones de protección. Este sistema por la simplicidad de su implementación, es el mas utilizado a nivel mundial en distribución publica en baja tensión.

7

,,,-----...-------------------L3 MT/BT

,____________...,________ L2

'-..,......_+-""'------------1-+--+---------L1 1---t-1--------- N

r--, ... --1 1

1 1 1

(:})

------------ CP

(-��) MASA

Fig. 1.1 Sistema TI:

1.2

El conductor neutro (N) y el de Protección (CP) independientes

Sistema Eléctrico TN

En este sistema eléctrico el neutro del transformador está conectado a tierra y, las masas metálicas de las cargas están conectadas entre si y puestas al neutro. Podemos encontrar tres variantes de sistema eléctrico básico TN:

Sistema TN-S:

Neutro (N) y el conductor

de protección (CP) de la

instalación, separados (CP y N), Fig. l.2. Sistema TN-C:

Neutro (N) y el conductor de protección (CP) de la Fig. 1.3, son uno solo (CPN). El conductor denominado CPN sirve a la vez de neutro y de conductor de protección,

Sistema TN-C-S:

Fig. 1.3.

El conductor neutro (N) y el de protección (CP) tendidos en forma parcial como un solo conductor (CPN) y en parte separada (CP y N) Fig. 1.4.

8

Ante fallas de fase a tierra, los sistemas TN-C y TN-S generan corrientes muy altas, similares a las de un cortocircuito, lo cual tiene desventaja de aumentar los riesgos de incendios, daños a los equipos y disturbios electromagnético.

MT/BT

,,..--�--------------------L3 -------------------L2 "l--------------..--1--1---------u •-----------1---1-1----------N

t-------------1'�

-

------------ CP

1 ¡

1

,...._..,....•, -+--+---+--,

/ J::)

MASA

El conductor neutro (N) y el de Protección CP (tierra) separados.

Fig.1.2 Sistema TN-S:

i------------+--------- L2 L3

t------------T1

,1\

\.::"··

1

.

L1

CPN

MASA

Fig. 1.3 Sistema TN-C:

El conductor de neutro (N) y el de protección CP (tierra) comunes (CPN).

9

)o------+------+-----__¡..----L2

MT/BT

,,...-�--------------------- L3

'-1--------+--+----,-...,.......,¡-----i--+-----CPN -1

CP 1

(J)

:;i........

CPI

11-.

L1

"-�-----�-,�--�-, N

-t,,.-...¡..-i-,.,--T·-- -- ------

CP

,, MASA

MASA

MASA

Fig. 1.4 Sistema TN-C-S: El conductor neutro y el de protección tendidos en forma parcial como conductor CPN y en parte separada.

1.3

Sistema Eléctrico IT

El neutro del transformador no está conectado sólidamente a tierr� puede estar totalmente aislado o unido a tierra por medio de una impedancia de alto valor . Las masas conductoras de la utilización están Interconectadas entre sí y puestas a una tierra com� o Conectadas a tierras separadas. Este sistema es recomendable utilizarlo en algunas aplicaciones especificas donde es imperativa la continuidad de servicio, tales como hospitales y algunos procesos industriales, donde una interrupción de la alimentación por alguna falla puede tener consecuencias graves.

10

En este sistema la intensidad resultante de un primer defecto fase-masa o fase-tierra, tiene un valor pequeño que no provoca la aparición de tensiones de contacto peligrosas.

MTi13T

"--"------......-+-+-----..-+--+--------

r--------r,

'f .

1

-

----,

-----------

L3 l2 L1 CP

Fig. 1.5 Sistema IT: Tierra común

L3 L2

.....__,,,,.___."'-------,-Hr-----,...-r--r------- u

r--,

r--, 1

1 \

MASA

MASA

Fig. 1.6 Sistema IT: Tierras separadas

11

Este sistema de conexión a tierra corresponde en la actualidad al sistema de distribución de energía eléctrica de la ciudad de Lima, con la salvedad de que el neutro del transformador no está conectado a tierra lo que equivaldría en todo caso que la impedancia a tierra es muy alta. Asimismo cabe señalar que las masas o partes metálicas de las cargas de las instalaciones particulares en su mayoría no están conectadas a tierra.

CAPiTULO U RIESGOS DE LA CORRIENTE ELÉCTRICA

Sabemos que uno de los objetivos de este informe es asegurar la protección de las personas contra los efectos fisiológicos de la corriente eléctrica frente a los contactos eléctricos por lo que en este capitulo trataremos sobre el riesgo y cfocto de la corriente eléctrica,. Es necesario que los dispositivos de protección de las instalaciones reúnan las condiciones de protección

contra contactos directos e

indirectos que se vera en el capitulo 111 y la protección por función diferencial capitulo V. La corriente eléctrica siempre tiene cierto riesgo para las personas, las instalaciones particulares, así como también para las redes de distribución� siendo uno de los principales el riesgo de incendio, puesto que los incendios son producidos por algún defecto de las instalaciones eléctricas, ya sea por rotura accidental del ah,lamicnto del conductor, envejecimiento y rotura de aislante 6 por el mal dimensionamiento de los cables, con lo cual se acelera el proceso de envejecimiento.

13

2.1

Riesgo de Accidentes Personales

La corriente eléctrica puede producir daños fisiopatológicos en las personas: tetanización, quemaduras externas, internas, fibrilación ventricular y paro cardíaco. Los daños sufridos por las personas dependen de la intensidad y del tiempo de paso de la corriente, y a su vez esta corriente depende de la tensión de contacto, así como de la impedancia que encuentra durante su recorrido a través del cuerpo humano. La impedancia depende del trayecto de la corriente a través del cuerpo, de la frecuencia y de la tensión de contacto aplicada, así como de la humedad de la piel. De la Fig. 2.1 se entrega las variaciones de la resistencia del cuerpo humano, en función de la tensión de contacto y el estado de la piel y se consigue los siguientes valores medios para la resistencia del cuerpo humano, a la frecuencia normal de 50Hz y tensión de 250V: 1600 n En medio seco,

800 n en medio húmedo,

200 n si el cuerpo está sumergido, etc.

R (Kll) 4

�-

3

�

1

el húmeda �Piel molad• 2550

Plel sumergl

•

• •

250

380

Uc(v)

Fig. 2.1: Variación de la resistencia del cuerpo en función de De la tensión de contacto y el estado de la piel.

14

2.2

Efectos de las Corriente Eléctrica en los Seres Humanos

Los efectos de la corriente en función de la intensidad, para frecuencias entre 15 y I00HZ se definen en la siguiente tabla 2.1 de acuerdo a la IEC 60479 ''Effects of current passing through the human body"

TABLA 2.1: Efecto de la corriente eléctrica a través del cuerpo humano

Ligero cosquilleo, límite de percepción

0,5

Choque violento pero sin perdida del control muscular

6

Nivel de agarrotamiento muscular (tetanización)

10

¡Fuerte dificultad respiratoria

15

!Nivel de parálisis respiratoria

30

Nivel de fibrilación cardiaca irreversible

75 100

2.3

Corriente Eléctrica en Función del Tiempo de Exposición

Dependiendo de la amplitud de la corriente eléctrica que circula por el cuerpo de una persona que está sometida a un contacto eléctrico, y del tiempo de exposición a este, los efectos sobre el individuo pueden ser imperceptibles, o bien, mortales.

15

La norma IEC 479-1, estableció zonas de riesgo, en función de la magnitud de la corriente, y el tiempo de exposición a esta. Estas zonas de riesgo son mostradas en la Fig. 2.2. Se observan las zonas indicadas con los números del 1 al 4, para intensidad de la corriente alterna de 15 a l00Hz ante diferentes duraciones de paso (t) de la corriente (IM). En las Zonas 1 y 2 existen ciertos riesgos pero que no son peligrosos; pero si deben distinguirse sobretodo las Zonas 3 y 4 en las cuales el peligro es real: Zonal

Habitualmente ninguna reacción.

Zona2

Se percibe la corriente sin efectos peligrosos directos y el accidentado puede conservar el control muscular.

Zona3

Habitualmente ningún daño orgánico. Probabilidad de contracciones musculares y de dificultad en la respiración.

Zona4

Además de los efectos de la zona 3, la probabilidad de fibrilación ventricular.

Aumentando la intensidad y el tiempo de exposición, se producen efectos tales como: paro cardiaco, paro respiratorio y quemaduras graves. Cabe destacar que con 30mA de corriente, no se llega a la zona 4 y para tiempos menores a los 400ms ni siquiera se llega a la Zona 3 que es la zona de real peligro. Por lo tanto, se considera que un dispositivo de protección diferencial instantáneo, de alta sensibilidad como es el caso de 30mA, no permite que la corriente sobrepase este límite, evitando que la corriente que puede circular a través del cuerpo humano cause algún daño. Mas adelante en el capitulo V abarcaremos sobre este tema de la protección diferencial.

16

t' .

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200()·

1000 500 ffi>· 100

50 2(L

O�l ,O,2 O,S t

2

5 10 20

50

soo 200 500 1,f)OO mA 10000 ..

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.l ..;. --

Fig. 2.2: Zonificación de los efectos de la corriente en función de la intensidad y del tiempo de exposición.

2.4

Tensión Límite de Seguridad

La tensión de toque o de contacto, es decir la diferencia de potencial entre las masas, carcasas o partes metálicas y tierra, no debe sobrepasar la tensión límite de seguridad, tensión por debajo de la cual no hay riesgo para las personas. En la norma IEC 60364-4-41 "E/ectrica/ installations of buildings - Part 4-41: Protection for safety - Protection against e/ectric shock" y UNE 20460/4-41: "Instalaciones eléctricas en edificios. Parte 4: Protección para garantizar la seguridad, Parte 41: Protección contra los choques eléctricos", según las condiciones del entorno, particularmente en presencia o no de agua, la tensión alterna límite de seguridad es de: •

50 V Para los locales secos .

17

•

24 V Para los locales húmedos.

•

12 V Para los locales mojados, por ejemplo, para las obras en el exterior.

Cabe señalar que las denominaciones: seco, húmedo o mojado, están referidas a las condiciones del lugar; es decir, podría tratarse de un terreno seco pero que circunstancialmente esta mojado, entonces en tales condiciones la tensión limite debe ser 12V.

2.5

Riesgo de Incendio

Un conductor con aislamiento deteriorado, que se encuentra con una carga normal, si se presenta una corriente de fuga de tan solo 300mA, puede calentar el aislamiento e ir deteriorándolo, quedando finalmente el conductor desnudo; con

lo cual

se

puede producir un accidente por la formación de un arco cuyo calor excesivo puede inflamar el aislante y todo material inflamable que se encuentra en el entorno.

CAPITULO 111 SISTEMAS DE PROTECCIÓN CONTRA CONTACTOS ELÉCTRICOS

3.1

Contactos Eléctricos

El paso de la corriente eléctrica por el cuerpo humano puede producir quemaduras graves y muerte por asfixia o paro cardiaco. Para que circule corriente por el cuerpo humano, una de las condiciones que deben cumplirse es que éste forme parte de un circuito eléctrico ya sea por CONTACTO DIRECTO o CONTACTO TNDIRECTO, definido por la norma IEC 60364.

3.1.1 Contacto Directo Los contactos eléctricos directos son aquellos que pueden producirse cuando la persona entra en contacto con partes de un circuito o instalación, por los cuales normalmente circula corriente eléctrica. Por ejemplo, cables sin protección aislante, o protección insuficiente al alcance de las personas; cables desnudos próximos a andamios o estructuras, etc. A mayor duración del contacto, mayor riesgo. A mayor intensidad, mayor riesgo.

19

La intensidad de la corriente que circula por el cuerpo de la persona depende de su resistencia interna y de la resistencia del contacto

en ese punto. Para la

consideración de accidentes, se debe tener en cuenta el peor de los casos, esto significa, una resistencia de contacto casi igual a cero.

L2 L1

.,,.,��. ?/.,·: ... -_,.-....:.::.:·__ ..,__- ·-::·.=--

.:::.;-.. ._.

Fig. 3 .1:

Contacto Directo

3.1.2 Contacto Indirecto

Los contactos eléctricos indirectos son aquellos que se pueden producir con elementos metálicos que, en condiciones normales esta desenergizada, pero por error en la instalación eléctrica o defectos en el aislamiento pueden estar en contacto con partes con tensión. Los contactos accidentales del tipo indirecto, son los más difíciles de prevemr, puesto que no ocurren por negligencia del usuario, smo por una falla de la

20

in talaci n� p r lo tanto,

n ditl ilment

vit bl

in pt au ion

tomada

n ln

etapa del di ei\o y la manutención de la in talo ión. n

t ca

el umbral d peligro ien detet·n inado por lo t nsión. lfmite de

seguridad, e decir para qu

no e. i ta p ligro la t n ión d

alo1

inferior a dicha ten ión� de acu rdo a l

Fig. . 2:

3.2

Sistemas de Protección co11t1•a

n la norma DIN VDE O l 00, Parte 41

direct

ntact

ot 1·gnd

contacto d be s r

n I npitulo ... .4.

lndir t

011tactos Eléctricos Dh-ectos

o.

e de cribe la pt·otección contra ·ontu •to

de parte activa , es una exigencia básica que e impone a las instalaciones

eléctrica y cuadr

tabler

de distt·ibución. E ta protección debe p1·everse siempre

sin ten r en cu nta el valor de In ten ión, deben tomarse n edidas destinudus u proteger a la p r ona c ntra los peligros que puedan resultm· de un contacto con

partes normalmente bajo tensión. in

mbargo exi te w1a excepción en que no es nece ru·iu una protección de estu

21

naturaleza cuando se emplea una tensión reducida de protección de hasta 25VC.A. ó 60VC.C. La protección contra contacto directo puede ejecutarse de 2 formas:

3.2.1 Protección Completa La protección completa se logra mediante aislamientos, carcasas, envolturas, revestimientos y similares, a cuyo efecto en las normas para la construcción, selección de equipos o montaje se determina cuál es el grado de protección mínimo que debe alcanzarse. De acuerdo a la norma DIN VDE 0100-410 tiene que aplicarse una

clase de

protección mínima IP2X ó IPXXB ver anexo D.

3.2.2 Protección Parcial Sólo es una protección contra contactos accidentales y en ningún caso contra contactos voluntarios de partes activas. La protección parcial se logra con cubiertas, barreras, rejas, listones de protección o similares con una clase de protección IP2X ó menor ver anexo D. Esta protección solo se admite en locales de trabajo eléctrico y recintos de uso eléctrico cerrados de acuerdo con la norma DIN VDE O100-731. En casos especiales se puede desistir de aplicar la protección contra contacto directo cuando las combinaciones de aparatos de maniobra se instalan en locales de uso eléctrico o en recintos de trabajo eléctricos cerrados. En la Tabla 3.1 se muestran los sistemas de protección contra los contactos eléctricos directos:

22

TABLA3.l SISTEMAS DE PROTECCIÓN CONTRA CONTACTOS ELÉCTRICOS DIRECTOS Distancias mínimas, alejand0 Interposición las

partes

activas

de

que sea imposible un contacto accidental

manipulación

de

O

de

las

la obstáculos que impidan partes activas por medio

instalación a una distancia tal todo

fortuito con las manos

de Recubrimiento

contacto de con

un

las apropiado,

aislamiento capaz

de

por la partes activas de la conservar sus propiedades

obietos . •, ., msta 1ac10n.

conductores.

· con e 1 tiempo, y que limite

la

corriente

de

contacto a un valor no superior a 1 miliamperio.

Se considerará zona alcanzable con -la mano la que, medida desde donde ésta pueda situarse, esté a una distancia limite de 2.50mts. por arriba, 1.00 mts. lateralmente y 1.00 mts. hacia abajo, ver Fig. 3.3. En caso que alguna persona invada la zona establecida por las distancias mínimas o se sobrepasen los obstáculos, inevitablemente se producirá un contacto eléctrico directo, con el consiguiente accidente. Cabe mencionar por otro lado que la norma IEC60364 cláusula 412.5, recomienda adicionalmente la desconexión

automática

mediante el uso de dispositivos

23

Fig. 3.3: Distancias alcanzables con la mano

diferenciales con una sensibilidad Is de 30mA o menos, especialmente en los circuitos de tomacorrientes por ser los de mayor riesgo. En este caso el dispositivo de protección diferencial se instalara en el tablero eléctrico. Esta ultima recomendación es aplicable para cualquier sistema de distribución: TN, TT ó 1T y se considera obligatoria· en los Reglamentos Eléctricos de varios países del mundo.

3.3

Sistemas de Protección contra Contactos Eléctricos Indirectos

Los materiales aislantes con el tiempo pierden su aislamiento y en tales circunstancias puede ocurrir algún Contacto Indirecto, para lo cual se deberá tener en cuenta la protección contra contactos indirectos.

24

Se consideran protección contra contactos indirectos a todas las medidas que se deben tomar además de la protección básica (Por ejemplo, "Protección contra contacto directo mediante aislamiento básico"). Estas medidas deben evitar que al producirse una falla de aislamiento pueda derivarse a través de las personas o seres vivos útiles una tensión de contacto peligrosa de los ele�entos en servicio. En la actualidad, de acuerdo con las normas IEe 364-4-41 y DIN VDE 0100-410, se considera peligrosa toda tensión superior a las siguientes: >

SO V de corriente alterna ( Valor Eficaz) ó

>

120 V de corriente continua.

En ambos casos se trata de tensiones con respecto a tierra . En redes no puestas a tierra, en caso de cortocircuito a tierra, será la tensión que se presenta en el resto de los conductores con respecto a tierra. En algunos casos de aplicación

específicos,

podrán

tenerse

limites

de

tensión considerablemente menores, por ejemplo, en explotaciones agrícolas y en hospitales se consideran como peligrosas las tensiones de contacto mayores que 25V de e.e. ó de e.A Independientemente de los limites de las tensiones peligrosas de contacto, siempre se requiere una protección contra contacto indirecto, es decir para tensiones a partir deOV.

25

Los sistemas de protección contra contactos eléctricos indirectos pueden ser de dos Clase A o de clase B. Mientras los primeros están basados en impedir la aparición de defectos o hacer que el contacto resulte inocuo (usando tensiones no peligrosas), los segundos están basados en la limitación de la duración del contacto mediante dispositivos automáticos de corte (diferenciales, etc.). En general, se debe adoptar un sistema de protección de clase B, siendo los de clase A apropiados para ciertos equipos, m�teriales o partes de una instalación, pero no como sistema de protección general.

3.3.1

Sistemas de Protección contra Contactos Indirectos de clase A (No Necesita Corte de Alimentación)

Este sistema consiste en tomar disposiciones destinadas a suprimir el riesgo mismo, haciendo que los contactos no sean peligrosos, o bien impidiendo los contactos simultáneos entre las masas y elementos conductores, entre los cuales pueda aparecer una diferencia de potencial peligrosa, y se logra de la manera siguiente: 1.

Separación de circuitos, mediante transformador de aislamiento.

2.

Empleo de pequeñas tensiones de seguridad, mediante un transformador de seguridad: 50 V en emplazamientos secos 24 V en emplazamientos mojados.

3.

Separación entre las partes activas y las masas accesibles por medio de aislamientos de protección o aislamiento reforzado. (espesores mínimos y calidad del aislamiento).

26

4.

Inaccesibilidad simultánea de elementos Conductores y Masa; disponiendo, separando o interponiendo obstáculos; convenientemente para evitar tocarlos simultáneamente.

5.

Recubrimiento de las masas con aislamientos de protección; ya sea recubriendo directamente las partes metálicas o mediante el aislamiento del lugar de trabajo.

6.

Conexiones equipotenciales; uniendo todas las masas de la instalación entre sí y a los elementos conductores simultáneamente accesibles, para evitar diferencia de potencial peligrosas entre ambos.

3.3.2

Sistema de Protección contra Contactos Indirectos de Clase B (necesita Corte de la Alimentación)

En los sistemas de protección de clase B consiste en la puesta a tierra directa o la puesta a neutro de las masas, asociándola a un dispositivo de corte automático, que origine la desconexión de la instalación defectuosa. Como dispositivos de corte automático asociados a la puesta a tierra de protección, en instalaciones con neutro a tierra o flotante pueden ser utilizados fusibles o disyuntores, siempre que sus características sean adecuadas. El empleo de estos dispositivos exigirá que la impedancia de falla tenga un valor extremadamente bajo y el valor de la resistencia de la tierra de protección debe ser tal, que no permita la aparición de tensiones que excedan los valores de seguridad. En general, esto sólo

27

será posible obtener cuando el terreno sea buen conductor y cuando en la red exista un gran número de puestas a tierra de servicio. En instalaciones en que la impedancia de falla y la puesta a tierra de servicio tenga valores tales que no permitan el cumplimiento de lo expresado en el párrafo anterior, se podrán utilizar como dispositivos asociados a los de corte automático, los protectores diferenciales. La sensibilidad de los protectores diferenciales está dada por el valor mínimo de corriente de falla, a partir del cual opera el dispositivo. El valor de la resistencia de la puesta a tierra a que debe asociarse un protector diferencial, se determinara de acuerdo a la sensibilidad de este y debe cumplir la relación : R = Vs/Is Siendo:

(3.1)

Is

El valor de la sensibilidad del diferencial en Amperes

Vs

El voltaje de seguridad de acuerdo al capitulo 2.4

R

La resistencia de puesta a tierra de protección.

Para eliminar la falla y evitar que se produzcan daños a las personas debido al valor y al tiempo de duración de una tensión de contacto superior a Vs, la norma IEC 60364 define las reglas y los dispositivos de protección diferencial a instalar dependiendo del tipo de la conexión a tierra del sistema de distribución utilizado y dentro de esta clase encontramos los siguientes sistemas de conexión a tierra: TN, TT o IT.

28

a)

Sistema Eléctrico TN

Puesta a neutro de las masas y dispositivos de corte por intensidad de defecto Id. Los defectos de

aislamiento se transforman en cortocircuitos entre fase y neutro,

provocando el funcionamiento rápido de los dispositivos de corte. En este caso la desconexión automática para la protección de las personas ante riesgos de contacto indirectos la realizan los interruptores automáticos (termo magnéticos). Para asegurar esto, luego de la puesta en marcha de la instalación, se deberá tener muy bien supervisados el sistema de puesta a tierra y todos los conductores de protección. Además cualquier modificación o ampliación que se haga en una instalación con sistema TN requerirá de cálculos precisos a fin de garantizar la actuación de los interruptores automáticos dentro de los tiempos adecuados para mantener el nivel de protección a las personas, ( según norma IEC 60364-41C para una tensión fase a neutro

de 220 ó 230Voltios, el tiempo máximo de desconexión

permitido es 0.2 segundos). En sistemas TN-S, mediante el uso de protectores diferenciales de sensibilidades adecuadas, se puede evitar los cálculos y simplificar la ejecución de modificaciones o ampliaciones sin perjudicar la seguridad de las personas además prevenir los riesgos de incendio de origen eléctrico.

29

MT/BT

----------+--------,

i......--------------+----L2 I

A'

,�------------�----4----------- ! 7

L3

L1

1---- CPN ,

1 I 1 1 1 1 Id! I 1 1 1 1 1 I 1 L ---------...--

1

1

1 1 1 1 1 1

Rn -· .

,...i....:¡

\� --

Fig. 3.4: Sistema 1N-C

MTffiT

----1:---- -------n ♦

rr-----------r ---· f1_____ L -----•----7¡ 1 1 1 1 1 1

l Rn(_=-)

Id

1 1 1 1 1 1 L

1 1 1 1

___________

,........

-•v• • • •

Fig. 3.5: Sistema 1N-S

L3 L2 L1 N

CP

30

b)

Sistema Eléctrico TT

La aparición de un primer defecto de aislamiento provoca una tensión e intensidad de defecto Id de duración limitada, ya que se produce el disparo del dispositivo automático de corte. La desconexión automática para la protección de las personas ante los riesgos de contactos indirectos la realizan los protectores diferenciales. La sensibilidad Is del protector diferencial es el parámetro que define la corriente de falla a tierra para la cual este dispositivo actuara desconectando automáticamente el circuito bajo falla situado aguas abajo. Se obtiene de la siguiente ecuación:

Is < Vs/R

Siendo:

(3.2)

Is

El valor de la sensibilidad del diferencial en Amperes

Vs

El voltaje de seguridad de acuerdo al capitulo 2.4

R

La resistencia de puesta a tierra de protección adonde están conectadas las masas conductoras de las cargas

Vemos que, si R aumenta, se necesitaran diferenciales mas sensibles, es decir, de menor corriente de actuación. Por esto, el uso de los protectores diferenciales de 30mA

de sensibilidad e instantáneos mejora de manera muy significativa la

protección de las personas contra contactos indirectos, particularmente cuando el valor de la puesta a tierra es muy alto o cuando, en el peor de los casos, no existe conductor de puesta a tierra.

31

El sistema TI es más usado a nivel mundial en distribución pública porque mediante el uso de protectores diferenciales se logra, de una manera más sencilla, un alto nivel de protección para las personas. Además, no hace falta un continuo monitoroo durante la operación, sólo el control periódico del buen funcionamiento de los protectores diferenciales apretando el botón de "TEST' incorporado en su parte frontal.

1

t

Id

1

1 1 1 t, "O o .o ;¡

o

�------__.,500___1 000 .,____2__,000 Hz ºsoL---100 Frequency I ,_

/EC ,S/19-4

Figure 8 - Frequency dependence of the total body lmpedance Zr of a populatlon for a percentlle rank of 50 % far touch voltages from 10 V to 1 000 V and a frequency range from 50 Hz to 2 kHz for a current path hand to hand or hand to foot

. 479-1 ·@rrec: 1994

-35-

·mA/�2 80 70

.l 1

60

.?:-

50

_m

Zona 3

40

o

Zona 3 Zone 2 Zone 1 Zone O

30 20 lO

= = • •

carbonization of skin current marl< reddening of skin no alteration

� --Z-o_n_a_1__,:____

10

Zone a 40 50 60 s 20 30 Ouracion ol current-flow t _.,_

IEC ,,s:l!M

Figure 9 - Dependence of the alteratlons of the human skln on current denslty and duration of current flow (For detailed description of zones, see 2.5.4) 10 000 kn

o 1 000

t

�

e 100 A 8

>-

10

8

E

¡¡¡

A

e o E

Surface contact area Surface cootact araa

2

8 000mm

2

1 000 mm

Surfac:e contact araa

100 mm 2

Surfac:é contact area

10mm 2

Surface contact araa 1 mm 2 (Breakdown ol the skin al 220 V)

t

0, 1

O

25

50 75 1·00 125 150 175 200. 225. V Touch voltage Ur /Et: tt.•.JN•

Figure 10 - Oependence of the total lmpedance of the human body on the surface area of contact and the touch voltage (50 Hz) (Far further details, see annex D)

�79-_1.� IEC:1994

,�37k.n 100

t

._r,ct CD e,

e:

al "O

a.

_§

CD

u

.."'...

10

e:

!!

,_

CD

>- >-

"O

3 2

o

.o -¡; . -¡; .Q

o

o 1-o

l

1

º· 1 ;----,---.---.--...,.--..---.----.---..----o 25 50 15 , ºº 125 1 so , 15 200 220 v· Touch voltage UT _..,

1 Total lmpedanca of the human body for a current path hand to hand according to tabla 1 for a.c. SO Hz. for a parcentage of 50 °/. of the populati011 for large argas of contact (approximately 8 000 mm2 ). For duration of current flow. sea annex A. 2 Total impedance of the human body for a current path from the tips of the right to lelt forefinger for a.c. SO H�. OÚratiÓn_.of current flow 0,02 s. ·.: _3 As 2. but for d.c.

Figure 11 - Dependence of the total lmpedance of the human body on the tauch voltage far a current path .fram the tlps of the rlght to the left foreftnger far a.c. 50 Hz and d.c. far surface areas · of cantact of approxlmately 250 mm2

479-1 © IEC:1994

3

-39-

Effects of sinusoidal alternaÚ�g current"i� :t-he ra�ge of 15 Hz to 100 Hz

This clause describes the effects of sinusoidal alternatinQ -current passing through the human body within the frequency ranga 15 Hz to 1oo Hz. NOTE - Unless otherwise specilied, the current values de:ined hereinalter are r.m.s. values.

3.1

Threshold of perception and threshold of reaction

nIe. thresholds depend on severa! parameters, such as the area ot the body in contact with an electrode (contact area), the conditions of contact (dry, wet, pressure, tempera­ ture), and also on physiological characteristics of the individual. A general value of 0,5 mA, independent of time, is assumed in this technical report for the threshold of reaction. 3.2

Threshold of let-go

The threshold of let-go depends on severa! parameters, such as the contact area. the shape and size of the electrodes and also on the physiological characteristics of the individual. An average value of about 1 O mA is assumed in this technical report. 3.3

Threshold of ventricular fibrilfation

The threshold of ventricular fibrillation depends on physiological parameters (anatomy ot the body, state of cardiac function, etc.) as well as on electrlcal parameters (duration and pathway of current flow, current parameters, etc.). With sinusoidal a.c. (50 Hz ar 60 Hz) there is a considerable decrease of the threshold of fibrillation if the current flow is prolonged beyond one cardiac cycle. This effect results from the increase in inhomogeneity of the excitatory state ot the heart due to the current­ induced extrasystoles. Far shock durations below 0, 1 s. fibrillation may occur for current magnitudes above 500 mA, and is likely to occur tor current magnitudes in the arder of severa! amperes, only if the shock falls within the vulnerable period. For shocks ot such intensities and durations longer than one cardiac cycle reversible cardiac arrest may be caused.

In adapting the results from animal experiments to human berngs, a curve c1 (see figure 14) was conventionally established for a current path left hand to both feet, below which fibrillation is unlikely to occur. The high level for short duratio·ns of exposure between 10 ms and 100 ms was chosen as a descending line from 500 mA to 400 mA. On the basis of information on · electrical accidents, the lower level for durations longer than 1 s was chosen as a descendlng line from 50 mA at 1 s to 40 mA for durations longar than 3 s. Both levels wé"r"eco-ññecte·d by a smooth curve. By statistical evaluation of animal experiments, curve c2 and curve c3 (see figure 14) have been established defining a probability of fibrillation of 5 % and 50 % respectively. Curves c1, c2 and c3 apply far a current patH left hand to both feet.

479-1 © IEC:/994 3.4

-41 -

Other effects of current .

··Ventricular fibrillation is consldered to be the main caus�t_ of death by electrical shock. There Is also sorne evldence of death due to asphyxia ar cardiac arrest. Pathophysiological effects such as muscular contractions, difficulty in breathing, rise in blood pressure, disturbances of formation and conduction of impulses in the heart includ­ lng atrial fibrillation and transient cardiac arrest may occur without ventricular fibrillation. Such effects are not lethal and usually reversible but current marks can occur.

With 9urrents of severa! amperes lasting more than seconds, deep-seated burns or other serious injuries which can be interna!, and even death. are likely to occur. 3.5

Description of the timelcurrent zones (see figure 14)

Table 4 - Time/current zones far a.c. 15 Hz to 100 Hz Zone designation

Zone limits

Physiological elfects

-·

AC-1

Up to o.s mA &ne a

AC-2

0.5mA Up CD &ne b •

AC-3

Uneb up to CUl"V9 c 1

Usually no °'ganic damage to be expoeted. Likelihood of etamplii