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Los sistemas IT en el espejo de las normas

El suministro eléctrico aislado de tierra (esquema IT) siempre se utilizan cuando un primer fallo de aislamiento no debe provocar la activación de un dispositivo de protección y, por lo tanto, la interrupción de la alimentación eléctrica. Algunos de los campos de aplicación típicos son las instalaciones de uso médico, procesos sensibles en la industria, accionamientos regulados en la industria pesada y muchos más. La revolución energética también ha añadido nuevas aplicaciones como la electro movilidad y los sistemas DC. El siguiente artículo ofrece una visión general de la situación actual de las normas.

Formas de red

Las formas de red básicas se especifican en la HD 60364-1. En ella se indica que con los requisitos especificados se garantiza la seguridad de personas, animales y bienes materiales con respecto a los peligros y daños que pueden ocurrir en las instalaciones eléctricas cuando se utilizan de acuerdo con su finalidad prevista. Los riesgos incluyen, en particular, la aparición de corrientes peligrosas que atraviesan el cuerpo y la interrupción del suministro eléctrico.

El esquema IT se describe en las secciones 312.2.3 (AC), 312.2.4.5 (DC) y en el Anexo A. Se establece que todas las elementos activos están aislados de tierra o un punto está puesto a tierra mediante una impedancia. Las masas se conectan a tierra de forma individual o a través de la toma de tierra del sistema (véase también el punto 411.6. de la norma HD 60364-4-41. El sistema también puede estar conectado a tierra mediante una impedancia suficientemente alta.

Imagen 1: Comparación entre un sistema IT (imagen de la izquierda) y un sistema TN con un primer fallo de aislamiento

La fuente de corriente

En cuanto a la fuente de corriente, hay que distinguir entre un sistema IT "normal" y un sistema IT para uso médico. Se requiere una separación con aislamiento básico para la fuente de corriente. En la práctica, esto se realiza en la mayoría de las ocasiones mediante un transformador de aislamiento. También puede lograrse mediante una batería, un sistema fotovoltaico autosuficiente o un generador eléctrico móvil. En el sistema IT para uso médico, las corrientes de fuga deben ser particularmente bajas debido a los posibles riesgos para el paciente durante intervenciones intracardiacas (por ejemplo, la cirugía a corazón abierto). El transformador de aislamiento necesario se describe en la norma EN 61558-2-15.

Estructura de un sistema IT médico conforme a DIN VDE 0100-710:20xx

Imagen 2: Estructura de un sistema IT de uso médico conforme a HD 60364-7-710

La puesta a tierra

En la práctica, el sistema IT se denomina "sistema eléctrico aislado de tierra". "Aislado de tierra" se refiere únicamente a la conexión entre los conductores activos y el sistema de puesta a tierra. Según la HD 60364-4-41, apartado 411.3.1.1 "Tierra de protección" los cuerpos deben conectarse a un conductor de protección, dependiendo del tipo de puesta a tierra. Para el sistema IT de acuerdo con 411.6.2, esto significa que los cuerpos deben estar puestos a tierra individualmente, en grupos o juntos y que deben cumplirse las siguientes condiciones:

En sistemas de corriente alterna R_A × I_d ≤ 50 V

Donde

R_A es la suma de las resistencias de la toma de tierra y de los conductores de protección de masas;

I_d es la corriente de defecto en A en el primer fallo con una impedancia insignificante entre un conductor exterior y un cuerpo.

En sistemas de corriente continua, la limitación de la tensión de contacto no se tiene en cuenta porque el valor de I_dse considera insignificante.

Imagen 3: Comparación de la puesta a tierra en el sistema IT y el sistema TN

El primer fallo en el sistema IT

La corriente de defecto I_ddespués de la aparición de un primer fallo contra un cuerpo o tierra es muy baja y no es necesaria una desconexión automática HD 60364-4-41, apartado 411.6.1), a condición de que se cumpla la puesta a tierra conforme al apartado 411.6.2. Esto significa que la resistencia del conductor de protección R_A es paralela a la resistencia del cuerpo y que la corriente de defecto ya muy baja fluye a través de este conductor de protección y que la tensión de contacto se mantiene significativamente por debajo del valor máximo admisible de 50 V. Esto es particularmente ventajoso en las aplicaciones de uso médico.

El valor de la corriente de defecto I_den un primer fallo se determina por la tensión nominal, la frecuencia nominal y la conexión en paralelo de capacidad de derivación de la red y la resistencia de aislamiento de la instalación eléctrica a tierra. En el primer fallo, la corriente de defecto fluye con una impedancia insignificante entre un conductor exterior y una masa. Con un buen nivel de aislamiento del sistema eléctrico, I_dpuede determinarse de forma aproximada por la capacidad de derivación de la red y calcularse de la siguiente manera:

Para sistema trifásico

I_Ce = U⁄√3 ×3ω × C_e = U ×√3×ω ×C_e

Para sistema monofásico

I_Ce = U × ω × C_e

Corriente residual Id con un primer fallo de aislamiento en el sistema IT (esquema equivalente)

Imagen 4: Corriente de defecto Id con un primer fallo de aislamiento en el sistema IT (esquema equivalente)

Imagen 5: Ejemplo de tensión de contacto UC después de un primer fallo

Los dispositivos de protección y vigilancia

Según la HD 60364-4-41, sección 411.6.3, en sistemas IT pueden utilizarse los siguientes dispositivos de protección y vigilancia:

Controladores permanentes de aislamiento (IMD).
Monitores de corriente diferencial (RCM).
Dispositivos de localización de fallos de aislamiento (IFLS).
Dispositivos de protección de máxima corriente, tales como fusibles, interruptores automáticos.
Dispositivos de protección de corriente diferencial-residual (RCD).

De acuerdo con la sección 411.6.3.1, se debe prever un vigilante de aislamiento (IMD) / dispositivos de detección del aislamiento (DDA) para comunicar un primer fallo entre un elemento activo y una masa o tierra. Este dispositivo debe emitir una señal audible y/o visible que continúe mientras persista el fallo de aislamiento. Se recomienda corregir un primer fallo lo antes posible. Lo "antes posible" depende de las condiciones prácticas de la instalación. Hay que destacar que el sistema IT tiene la clara ventaja de que un fallo de aislamiento no tiene que subsanarse inmediatamente. Su subsanación puede demorarse hasta que, por ejemplo, se produzca el siguiente intervalo de mantenimiento de la instalación.

Dispositivos de localización de fallos de aislamiento (IFLS)

Con un dispositivo de localización de fallos de aislamiento (IFLS), se pueden localizar las salidas o los equipos afectados por fallos durante el funcionamiento, es decir, no es necesario desconectar la instalación. Para la localización de fallos, se superponen al sistema IT una señal pulsante de medida, que a su vez se registran y evalúan mediante transformadores de corriente de medida. De este modo, la salida afectada por el fallo puede determinarse fácilmente mediante la asignación del transformador de corriente de medida / salida.

Imagen 6: Representación esquemática de sistema IT con IMD e IFLS

Controladores de corriente diferencial (RCM)

Los monitores de corriente diferencial (RCM) solo pueden funcionar de forma condicional (véase Dispositivos de protección de corriente diferencial-residual (RCD))

Dispositivos de protección de máxima corriente / sobreintensidad

El diseño de los dispositivos de protección de sobreintensidad se realiza bajo consideración de la HD 60364-4-43. Para sistemas IT, hay que prestar especial atención a lo siguiente:
En los sistemas IT de uso médico no se permite la protección contra sobrecarga en el circuito de salida (circuito secundario) del transformador, es decir, solo se requiere protección contra cortocircuitos. Por lo tanto, la corriente de carga y la temperatura del transformador deben monitorizarse y las desviaciones se deben comunicar (sección 710.411.6.3.101)
Según la HD 60364-4-43, sección 431.1.1, todos los conductores activos deben estar protegidos por fusible (todos los polos). Véase también la HD 60364-5-557 "Circuitos auxiliares", sección 557.3.6.1 "Los circuitos auxiliares de corriente alterna o continua sin puesta a tierra deben protegerse contra corrientes de cortocircuito mediante dispositivos de protección que interrumpan todos los conductores externos". Esta indicación también se encuentra en la HD 60364-4-43, sección 431.2.2.
Si en sistemas IT 3(N)AC se requiere una detección de sobreintensidad en el conductor N, esta debe provocar una desconexión de todos los conductores activos. (Sección 431.2.2) De esta protección contra sobreintensidad se puede prescindir, por ejemplo, si el conductor N en la alimentación está protegido contra sobreintensidad.
Una desconexión de todos los polos también sirve para "desconectar" el sistema IT en todos los polos de acuerdo con las 5 normas de seguridad.
En este punto, también una nota al comentario generalmente válido de la HD 60364-4-43, sección 433.3.3, de que se puede prescindir de dispositivos de protección contra sobrecarga si una interrupción imprevista del circuito representara un peligro. En estos casos, se debe considerar una alarma de sobrecarga.

Imagen 7: Explicación de la necesidad de una protección contra sobreintensidad multipolar en sistemas IT

Dispositivos de protección de corriente diferencial-residual (RCD)

Según HD 60364-4-41, sección 411.3.3, en sistemas de tensión alterna se debe prever una protección adicional mediante dispositivos de protección contra corriente diferencial para las tomas de corriente < 32 A concebidas para el uso por parte de personas no cualificadas y para el uso general. Sin embargo, este requisito no está orientado a la práctica en el caso de los sistemas IT, por lo que los RCD no logran el efecto protector deseado en sistemas IT. El principio de funcionamiento de un RCD requiere una corriente diferencial I_ddespués del primer fallo, que debe ser superior a la corriente diferencial de diseño I_Δn de un RCD (p. ej. > 30mA). Esto no suele ser así en la práctica. Ni siquiera dos fallos de aislamiento independientes en los dos conductores activos o equipos conectados activan un RCD, ya que estos dos fallos actúan como una carga.

En la HD 60364-4-41, sin embargo, se requiere una protección adicional a nivel internacional mediante RCD I_Δn < 30 mA también para los circuitos de toma de corriente de sistemas IT si puede fluir una corriente residual I_dde > 15 mA en el primer fallo. Sin embargo, una consideración más detallada revela que este requisito es cuestionable desde el punto de vista técnico:

Aparte del hecho de que las tomas de corriente en sistemas IT son más bien la excepción, ¿cómo se determina la corriente residual I_d? La corriente I_dviene determinada principalmente por la longitud del cable y el número de cargas de la instalación eléctrica. También tiene en cuenta las corrientes de fuga de la instalación eléctrica a tierra. Esto también incluye cambios en la instalación a causa de conexiones y desconexiones desconocidas. Ningún ingeniero puede determinar estos valores ni siquiera con la mejor planificación posible.
Los RCD actualmente disponibles en el mercado tienen una corriente diferencial de diseño I_Δn < 30mA. Por lo tanto, el usuario no tendría ninguna posibilidad de adquirir un producto adecuado en el mercado. A este respecto, la HD 60364-5-53, en la sección 538.4, contiene la siguiente cita: "Para el uso en sistemas IT de corriente alterna se recomienda emplear controladores de corriente diferencial (RCM) direccionales, para evitar alarmas no deseados relativas a corrientes de defecto si es probable que se produzcan altas capacidades de derivación detrás del punto de conexión del monitor de corriente diferencial (RCM)". En suma, esto significa que el usuario no obtiene un RCD con una I_Δn < 15 mA ni un RCD que funcione de forma selectiva direccional. Selectivo direccional significa en este caso que solo se detectan corrientes residuales hacia la carga.

Fig. 8: Dos fallos de aislamiento en diferentes conductores externos "detrás" de un RCD

Fig. 9 Distribución de las capacidades de derivación de la red "antes" y "después" de un RCD

Fig. 10 Uso de RCD en sistemas IT ramificados

Uso de AFDDs en sistemas IT

Para los sistemas IT, el objetivo principal es que no se produzca una desconexión inesperada en caso de un primer fallo. A este respecto, la utilización de dispositivos de protección de arco para circuitos finales de hasta 16 A en sistemas IT no tiene sentido. Esto es también el objeto del actual comunicado de DKE (Comisión Electrotécnica Alemana) del 3 de noviembre de 2017. Contiene las siguientes disposiciones:
a) La DIN VDE 0100-420:2016-02 (HD 60364-4-42), sección, 421.7 no contiene ningún requisito para instalaciones eléctricas que entre en el ámbito de aplicación (sección 710.1) de la DIN VDE 0100-710:2012-10 (HD 60364-7-710) "Instalaciones eléctricas de baja tensión. Parte 7-710: Requisitos para instalaciones o emplazamientos especiales. Locales de uso médico". Por lo tanto, las áreas de uso médico en residencias de ancianos en las que los pacientes reciben tratamiento médico no están incluidas en el ámbito de aplicación de la norma DIN VDE 0100-420:2016-02 (HD 60364-4-42), sección 421.7.
b) Se puede prescindir de dispositivos de detección de defectos por arco eléctrico (AFDD) en el caso de circuitos de alimentación de cargas eléctricas en los que una interrupción imprevista de la alimentación eléctrica causa un peligro o un daño. Esto es válido, por ejemplo,
a. para sistemas IT que se instalaron para mejorar la seguridad del suministro, o
b. para instalaciones eléctricas con fines de seguridad según DIN VDE 0100-560 (HD 60364-5-56), especialmente en sistemas de iluminación de seguridad.

Notas y requisitos adicionales para la instalación y la selección de equipos

Selección de los vigilantes de aislamiento

Un vigilante de aislamiento se debe elegir teniendo en consideración los siguientes criterios:

Magnitud de la tensión nominal máxima
Forma de red AC, DC o AC/DC
Circuito principal, de mando o aplicación especial
Capacidad de derivación a tierra
Valores de alarma
Ampliación con dispositivo de localización de fallos de aislamiento
Condiciones ambientales especiales

Para simplificar la selección de los vigilantes de aislamiento para ingenierías y usuarios, la norma de producto para vigilantes de aislamiento EN 61557-8 contiene más especificaciones:

Marcado para la aplicación correspondiente
Los vigilantes de aislamiento se distinguen

por los posibles tipos de corriente en el sistema IT

Sistemas IT de AC
Sistemas IT de DC
Sistemas IT de AC/DC

Para aplicaciones especiales

Localizaciones de uso médicos
Energía fotovoltaica

Imagen 11: Ejemplos de identificación de IMD

Requisitos para los vigilantes de aislamiento

Las indicaciones importantes para el diseño de sistemas IT están contenidas en la HD 60364-5-53 " Instalaciones eléctricas en baja tensión. Parte 5-53: Selección e instalación de equipos eléctricos. Aparamenta" en la sección 538:

Los IMD deben cumplir la EN 61557-8 (538.1.1).
Los resultados de medición no deben verse influidos por componentes de corriente continua (538.1.2).
Los IMD deben conectarse simétricamente entre los conductores externos y tierra o de forma unipolar entre cualquier conductor externo y tierra (alternativamente también al conductor N en sistemas 3(N)AC (538.1.2).
Si se interconectan varios sistemas IT, solo puede haber activo un IMD a la vez (538.1.2).
Los IMD deben estar dimensionados para la máxima tensión de red
Se recomienda utilizar IMD que avisen de una interrupción de las conexiones de medida a los conductores de red y a tierra (538.1.1).
Los dispositivos para la localización de fallos de aislamiento deben cumplir los requisitos de la EN 61557-9 (538.2)

Ajuste de los valores de alarma

El valor de alarma se debe configurar de acuerdo con la instalación en cuestión. Según la sección 538.1.3, se recomienda un valor de 100 ohmios/V y, para la prealarma un valor de 300 ohmios/V. En la edición anterior de la HD 60364-5-53 y en la DIN VDE 0105-100:2015-10, sección 5.3.3.101.3.3, se recomienda un valor orientativo de 50 ohmios/V. Ambas magnitudes son correctas en principio y se ven influidas por el número de cargas y la calidad de la instalación (p. ej. humedad, polvo, etc.). En la práctica, el valor mostrado en la pantalla del IMD se utiliza para ajustar un valor de alarma que está por debajo de este valor visualizado, representando el valor mínimo deseado y dejando suficiente margen de acción para trabajos de servicio y mantenimiento. Para ello hay que considerar que todas las salidas importantes de la instalación también están en funcionamiento.

Otra ventaja, sin embargo, es que el IMD indica un cambio significativo en la resistencia de aislamiento con la conexión o desconexión de una carga o una parte de la instalación, identificando así posibles puntos débiles.

Vigilancia de cargas desconectadas

De acuerdo con la sección 538.3, en los sistemas TN, TT e IT se puede utilizar un vigilante de aislamiento para controlar cargas o instalaciones desconectadas. Puede tratarse, por ejemplo, de bobinados de motor, elevadores, accionamientos de válvulas. El requisito para ello es la desconexión de todos los polos del circuito supervisado de la red.

Monitorización offline de un motor, p. ej. para una grúa

Imagen 12: Monitorización offline de un motor, p. ej. de una grúa

Comportamiento durante un segundo fallo de aislamiento

Según la HD 60364-4-41, sección 411.6.4, después de que se haya producido un primer fallo deben cumplirse las condiciones para la desconexión en caso de un segundo fallo en otro conductor. En la práctica, esto significa que debe mantenerse una cierta impedancia de bucle. Para sistemas IT sin conductor neutro

Z_S ≤ U/(2 × I_a )

U = Tensión alterna nominal entre los conductores exteriores
I_a = Corriente que provoca la activación del dispositivo de protección dentro del tiempo según 411.3.2.2 / 411.3.2.3.

Si, por razones de disponibilidad, un fallo inicial no debe dar lugar a una desconexión, hay que asegurarse, cuando se utilizan RCD, de que la corriente residual existente I_d< 0,4 I_Δn. Para un RCD de 30 mA RCD esto significa I_d< 12 mA.

También hay que tener en cuenta que los fallos simétricos en los diferentes conductores exteriores no generan una corriente residual que provoque la desconexión.

Si no pueden cumplirse las condiciones de desconexión para la protección contra sobreintensidad, p. ej.

la impedancia del bucle no puede determinarse con exactitud (longitudes de cables difíciles de estimar, materiales metálicos cerca de los cables),
la corriente residual es tan baja que no se puede respetar el tiempo máximo de desconexión admisible cuando se utilizan dispositivos de protección contra sobreintensidad,
si la resistencia del bucle es demasiado alta para garantizar la desconexión automática

y no es posible una conexión equipotencial adicional, se puede utilizar un RCD para cada carga individual.

Imagen 13: El segundo fallo en el sistema IT

Conductores N en sistemas IT trifásicos

La norma HD 60364-4-41, sección 431.2.2, contiene la recomendación de que en los sistemas IT no se distribuya el conductor N. Esto debe tenerse en cuenta si también se conectan cargas monofásicas en un sistema IT 3(N)AC. Si se produce un fallo de aislamiento en L1, la tensión en el conductor L2/L3 a tierra aumenta a la tensión compuesta, p. ej. 400 V. Esto podría dañar los condensadores de supresión de interferencias puestos a tierra. Debe tenerse en cuenta que el desplazamiento de la tensión sólo afecta a la tensión con respecto a tierra. No se produce un desplazamiento de tensión entre los conductores activos. Los equipos monofásicos deben diseñarse en consecuencia, es decir, deben ser adecuados para su funcionamiento en sistemas 3(N)AC. En la práctica, a menudo se instalan dos sistemas IT separados, uno para las cargas monofásicas y otro para las trifásicas.

En este punto, también una nota al comentario generalmente válido de la HD 60364-4-43, sección 433.3.3, de que se puede prescindir de dispositivos de protección contra sobrecarga si una interrupción imprevista del circuito representara un peligro. En estos casos, se debe considerar una alarma por sobrecarga.

Resumen

Los sistemas IT son siempre ventajosos cuando un primer fallo no debe conducir a un corte en la alimentación eléctrica. Un diseño conforme a las normas y la selección correcta de los equipos de protección y control son la base esencial para un funcionamiento sin problemas y seguro.

Referencias bibliográficas:

Hofheinz, Wolfgang - Schutztechnik mit Isolationsüberwachung, VDE-Verlag GmbH, Berlin

DIN VDE 0100-100 VDE 0100-100:2009-06