Cuando se diseña la protección contra fallas a tierra (GFP) para un sistema de distribución de energía, siempre se debe considerar la naturaleza de la fuente de energía. Si la fuente de alimentación proviene de un sistema derivado por separado, debe seguir ciertas reglas y directrices para que el GFP funcione correctamente y proteja el sistema.

Por el Código Eléctrico Nacional (NEC), sabemos que un grupo electrógeno (gen-set) es un sistema derivado por separado. El efecto de un grupo electrógeno y su interruptor de transferencia en el funcionamiento de los equipos GFP requiere mucha atención, principalmente debido a las múltiples conexiones de neutro a tierra.

Examinemos detalladamente lo que está en juego y veamos cómo evitar las trampas de los diseños e instalaciones inadecuados. Lo siguiente es un extracto de la «Guía práctica de protección contra fallas a tierra» de EC&M Books y está actualizado a los requisitos de la NEC de 2005.

Cuestiones de la NEC. La sección 250.20(B) establece cuándo debe conectarse a tierra el sistema de alimentación, mientras que la 250.20(D) exige la conexión a tierra de los sistemas derivados por separado. Sin embargo, según el FPN nº 1, cuando el conductor neutro de una fuente de alimentación alternativa está conectado sólidamente al sistema suministrado por el servicio, esa fuente de alimentación alternativa no se considera un sistema derivado por separado. ¿Qué significa esto?

Si una fuente derivada por separado que cumple los requisitos de 250.20(B) incluye una fuente de alimentación alternativa cuyo conductor neutro está sólidamente conectado al de la fuente preferida, el neutro de la fuente alternativa se considera conectado a tierra a través de la tierra en la desconexión del servicio de la fuente preferida. En otras palabras, a veces el neutro de una fuente de alimentación del grupo electrógeno estará conectado a tierra en el neutro del grupo electrógeno; otras veces, no. (Para ver lo que debe tener en cuenta antes de decidir cuándo conectar a tierra el neutro, consulte la barra lateral «Cuándo debe conectar a tierra y cambiar el neutro del grupo electrógeno» en la página 31 y la barra lateral «Cuándo no debe conectar a tierra el neutro del grupo electrógeno» en la página 32.)

Problemas de las conexiones múltiples de neutro a tierra. Dos problemas principales surgen de estas conexiones.

Detección incompleta de fallas a tierra. Considere un interruptor de transferencia de 3 polos con GFP de secuencia cero en el servicio, como se muestra en la Fig. 1. Supongamos que se produce una falta entre uno de los conductores de fase y el conducto metálico que encierra estos conductores. La corriente de falla a tierra resultante tiene dos caminos que puede seguir para regresar al neutro del transformador.

El camino 1 es regresar directamente al transformador a lo largo del conductor de puesta a tierra del equipo. El camino 2 es a lo largo del conductor de puesta a tierra del equipo hasta el punto donde el grupo electrógeno está conectado a tierra, luego al neutro del grupo electrógeno, y finalmente a lo largo del conductor neutro de vuelta al neutro del transformador.

Tenga en cuenta que un GFP de secuencia cero actúa cuando detecta un valor predeterminado de desequilibrio de corriente. Por lo tanto, la corriente que sigue el camino 2 pasará a través del sensor del GFP del transformador como si fuera una corriente de carga normal, y el GFP de secuencia cero detectará sólo la corriente de defecto que sigue el camino 1. Como resultado, tendría una detección incompleta de la corriente de defecto total.

Disparos molestos. Ahora, considere un interruptor de transferencia de 3 polos y un GFP de secuencia cero con una carga desequilibrada, como se muestra en la Fig. 2. De nuevo, la corriente desequilibrada en el neutro tiene dos caminos a seguir. El camino 1 va directamente al neutro de servicio. El camino 2 es hacia el neutro del grupo electrógeno, a través del electrodo de puesta a tierra del grupo electrógeno y – a través de las cajas metálicas de los equipos, conductos, accesorios, etc. – de vuelta al neutro de servicio.

La corriente a través del camino 2 tendría el mismo efecto en el sensor de falla a tierra que la corriente de falla a tierra. Por lo tanto, una carga desequilibrada afectaría a la sensibilidad del sensor GFP y podría hacer que disparara el disyuntor aunque no existiera una corriente de fallo o de cortocircuito.

El problema con las dos conexiones GFP comentadas anteriormente es que los neutros del transformador y del grupo electrógeno están unidos en el interruptor de transferencia. Hay tres posibles soluciones para superar los problemas mencionados.

Solución 1: interruptor de transferencia de 4 polos. Este tipo de interruptor de transferencia proporciona un aislamiento completo de los conductores neutros de servicio y del grupo electrógeno, eliminando así tanto la detección inadecuada como los disparos molestos causados por las múltiples conexiones de neutro a tierra. La Fig. 3 muestra cómo el interruptor de transferencia de 4 polos proporciona aislamiento en caso de fallo a tierra. Como se puede ver, sólo hay una manera de que la corriente de defecto pueda volver al neutro del transformador. Con los neutros así aislados, puede añadir GFP convencional a la salida del grupo electrógeno.

Tenga cuidado aquí porque esto puede causar otros problemas. Cuando el interruptor de transferencia interrumpe la carga de una fuente, las corrientes en las líneas individuales y el neutro pueden no despejarse todas en el mismo instante. Es posible que la corriente en el conductor neutro, que suele ser menor que la de las líneas, se despeje primero. Por ello, el interruptor de transferencia puede estar conectando momentáneamente la carga a una fuente de alimentación con el neutro desconectado. Si la carga está desequilibrada, pueden producirse tensiones anormales en cada fase de la carga durante 10 milisegundos. Al mismo tiempo, las cargas inductivas podrían causar altas tensiones transitorias adicionales en el rango de los microsegundos.

Solución 2: Aislamiento a través de un transformador delta-oye. Si tiene una carga crítica trifásica de 4 hilos que es relativamente pequeña en comparación con el resto de la carga no crítica, puede utilizar un transformador de aislamiento en el lado de la carga del interruptor de transferencia (Fig. 4). Esto requiere que las dos fuentes de alimentación del lado de la línea del conmutador de transferencia sean trifásicas y de tres hilos.

Un desequilibrio de la carga crítica no tendrá ningún efecto sobre la GFP en el servicio de entrada. Además, las corrientes de falla a tierra no se transmitirían a través del transformador delta-oye. Además, el dispositivo de protección del primario «ve» cualquier aumento de la corriente del primario debido a las faltas a tierra simplemente como una sobrecarga.

Hay dos puntos a tener en cuenta con esta solución. En primer lugar, no proporciona protección contra las faltas a tierra en el lado secundario del transformador de aislamiento. En segundo lugar, como el interruptor de transferencia no está situado directamente delante de la carga, no proporciona protección de energía de emergencia en caso de que el transformador de aislamiento falle.

En cuanto al coste, tendrá que evaluar la economía de suministrar un interruptor de transferencia estándar de 3 polos con un pequeño transformador de aislamiento frente a otros enfoques. Puede ser que el coste del transformador de aislamiento sea menor que el coste adicional de un interruptor de transferencia modificado. También tendrá que considerar el ahorro de costes que supone una instalación mínima de conductores neutros. En aplicaciones como hospitales y edificios comerciales, la carga de iluminación de 4 hilos suele representar un porcentaje considerable de la carga esencial total. Por lo tanto, añadir un transformador en estos casos rara vez es económicamente viable.

Solución 3: Interruptor de transferencia con contactos de neutro superpuestos. Existen interruptores de transferencia que permiten la superposición de los contactos de transferencia del neutro. Esto conecta los neutros de las fuentes de energía normal y de emergencia, pero sólo durante el período de transferencia. Con un interruptor de transferencia convencional de doble tiro y accionado por solenoide, el tiempo durante el cual se conectan los neutros puede ser menor que el tiempo de funcionamiento del sensor de falla a tierra, que generalmente se establece en cualquier lugar de seis a 24 ciclos.

La Figura 5 muestra un sistema típico que utiliza un interruptor de transferencia de 3 polos con contactos superpuestos para aislar los conductores neutros. No hay ningún flujo posible de corriente de falla a través del conductor neutro que reste o reduzca efectivamente la detección de fallas a tierra. Además, no hay flujo posible de corriente desequilibrada a través del neutro del grupo electrógeno que altere la captación del sensor de fallas a tierra y posiblemente cause disparos molestos.

El neutro de la carga siempre está conectado a cualquiera de las fuentes de energía. Como no hay una apertura momentánea del conductor neutro cuando el interruptor de transferencia funciona, las tensiones anormales y transitorias se mantienen al mínimo. Además, no hay erosión de los contactos superpuestos debido a la formación de arcos. Esto garantiza la integridad de la conducción de corriente y el no aumento de la impedancia del circuito neutro. Dado que los contactos solapados no son necesarios para interrumpir la corriente, el coste de añadir dichos contactos a un interruptor de transferencia suele ser menor que el de añadir un cuarto polo.

Esta solución tiene más de un inconveniente, centrado principalmente en la adaptación de los interruptores de transferencia existentes. En primer lugar, puede ser difícil adaptar los contactos superpuestos a los conjuntos de interruptores de transferencia que tienen disyuntores de caja moldeada con enclavamiento debido a las configuraciones mecánicas relativamente fijas de estas unidades. Además, su tiempo de transferencia operativo más lento podría convertirse en un factor limitante. Por último, es posible que no haya espacio suficiente dentro de la celda que alberga un interruptor de transferencia convencional para un conjunto de contactos superpuestos, o que el mecanismo operativo de transferencia sea inadecuado. Dicho esto, la adaptación de contactos neutros solapados a un interruptor de transferencia existente ha demostrado ser económicamente viable en algunas aplicaciones Así que no descarte esta solución como una posibilidad de adaptación sin al menos hacer un análisis concertado.

El manejo de las corrientes de falla a tierra con sistemas derivados por separado depende mucho de la aplicación, la configuración del sistema y, obviamente, los costos asociados. Además, para reducir la magnitud de la corriente de falla, existen sistemas de resistencia de puesta a tierra que vienen empaquetados con una resistencia de puesta a tierra, un interruptor de desconexión, un dispositivo de detección y controles. Además, si el neutro no está disponible, el paquete puede incluir un banco de transformadores que derivan el neutro.

Interés de la industria en la GFP. El interés por la GFP no ha disminuido a lo largo de los distintos ciclos del Código. De hecho, los contratistas eléctricos, el personal de mantenimiento eléctrico de las instalaciones y los ingenieros eléctricos han exigido información más completa y concisa sobre el tema. El valor en dólares de la pérdida de equipos, el tiempo de inactividad de la producción y la responsabilidad personal asociada a los arcos de falla a tierra puede ser asombroso.

A pesar de la aplicación eficaz y hábil de los dispositivos de sobrecorriente convencionales, el problema de las fallas a tierra sigue existiendo. Por lo tanto, en aras de la seguridad, el diseño del sistema eléctrico también debe tener en cuenta la protección contra los fallos a tierra. Esto requiere un conocimiento profundo y detallado de la amplia y compleja naturaleza del flujo de la corriente de falla en los sistemas eléctricos.

Recuadro: Cuándo debe conectar a tierra y conmutar el neutro del grupo electrógeno

Cuando el servicio cumple con los requisitos de la norma 230.95, debe conectar a tierra el neutro en cada fuente, y conmutarlo donde el Código requiere la coordinación de la detección de fallas a tierra. Cuando la potencia del servicio es igual o superior a 1.000 A (833 kVA), la norma 230.95 exige una protección contra fallos a tierra en la desconexión del servicio. Pero, ¿y si su carga es lo suficientemente importante como para justificar una fuente de alimentación alternativa y un interruptor de transferencia? En ese caso, es posible que desee ampliar el esquema de protección contra fallas a tierra a la protección de segundo nivel del circuito derivado, de acuerdo con la norma 230.95(C), FPN No.2.

Cuando el NEC exige la protección contra fallas a tierra – y usted tiene una fuente de alimentación alternativa – debe conmutar el neutro. Si tiene un servicio de más de 1.000 A, el NEC exige la protección contra fallas a tierra en la desconexión del servicio principal. Si la conexión a tierra del neutro del grupo electrógeno se realiza a través de una conexión sólida con el neutro del servicio principal, y el grupo electrógeno experimenta un fallo a tierra mientras alimenta la carga, el desconectador del servicio principal se abrirá. Esto no desconectará el fallo de arco del grupo electrógeno, y se perderá la coordinación.

Si los neutros de las dos fuentes están conectados a tierra por separado, debe cambiar el conductor neutro de la carga a la fuente que alimenta la carga, según 230.95(C), FPN nº 3. La corriente de falla a tierra regresará sólo a la fuente de la cual se origina, proporcionando la coordinación del esquema de protección de falla a tierra.

No siempre es necesario aterrizar por separado el conductor neutro del grupo electrógeno. Sin embargo, si lo hace, es posible que tenga que conmutar el neutro de una carga junto con sus conductores de fase cuando transfiera cargas entre fuentes de energía, especialmente cuando utilice la protección contra fallas a tierra. El NEC exige la protección de fallo a tierra para los servicios de 480/277 V, trifásicos, de 4 hilos y conectados en estrella con una potencia de 1.000 A o más, pero es opcional en otras configuraciones que no incluyen la protección de fallo a tierra. Sin embargo, cuando un conductor neutro del circuito derivado se transfiere entre fuentes, los medios de conmutación deben asegurar que el contacto de conmutación del conductor neutro no interrumpa la corriente.

Cuándo no se debe conectar a tierra el neutro del grupo electrógeno

Entre las razones para no conectar a tierra por separado el neutro del grupo electrógeno está el hecho de que el NEC no requiere la detección de fallas a tierra. Generalmente, la conexión sólida del neutro del grupo electrógeno al neutro de servicio preferido impedirá la puesta a tierra por separado del neutro del grupo electrógeno.

Ahora, es posible poner a tierra los neutros de la fuente del grupo electrógeno de los sistemas de energía que no entran en la 250.20(B) conectándolos al neutro de servicio de la fuente preferida. Por lo tanto, para los sistemas de potencia de 480/277V, trifásicos, de 4 hilos y conectados en estrella con una potencia inferior a 1.000A (833kVA), puede conectar el conductor neutro del grupo electrógeno directamente al neutro de servicio preferido. También puede conectar el conductor neutro del grupo electrógeno directamente al neutro de servicio preferido para todos los sistemas eléctricos de 208/120 V, trifásicos, de 4 hilos y conectados en estrella.

Con la escasez de energía y el teletrabajo en aumento, también lo es el número de residencias con grupos electrógenos de reserva. La clavija de tierra de estos receptáculos está conectada al bastidor del grupo electrógeno, que a su vez está conectado al punto neutro del devanado del grupo. Por consiguiente, cualquier fallo o paso de corriente inadvertido entre el bastidor y un conductor de fase hará que el receptáculo se desconecte. Cuando el cableado del local está conectado al grupo electrógeno, el neutro se convierte efectivamente en tierra cuando se conectan los conductores neutros.

Si el servicio es de 480/277V, trifásico, de 4 hilos, conectado en estrella – y el grupo electrógeno está instalado permanentemente – puede eliminar la necesidad de conmutación del neutro. Si limita dicho servicio a menos de 833kVA, puede conectar sólidamente el neutro del grupo electrógeno al neutro de servicio – el puente de unión entre el neutro del cuadro de servicio principal y el bus de tierra conecta a tierra el neutro de servicio.