Elements de protecció en habitatges (ITC-BT-18, 22, 23, 24, 26)

Per contacte directe entenem aquell en què el cos humà toca directament una part activa, mentre que el contacte indirecte es produeix quan, per defecte d’un equip electrodomèstic o aparell, les seves parts metàl·liques (carcassa) estan en tensió accidentalment. És a dir, quan hi ha contacte indirecte fem contacte amb un element que està en tensió, però no és un conductor de la instal·lació sinó un objecte metàl·lic que està en contacte amb el conductor per un defecte d’aïllament.

Per ser més exactes, el REBT els defineix així en la ITC-BT-01:

Quan es produeix un contacte directe passa un corrent elèctric pel cos de la persona. Si hem de calcular el corrent que passa pel cos, hem de conèixer-ne la resistència total. Cal tenir en compte, a més de la resistència del cos, la que hi ha entre, per exemple, la mà i el conductor que es toca. En total cal preveure les següents resistències:

• Resistència de contacte (R_C): és la resistència entre el punt de contacte, normalment la mà, i la part activa, normalment un conductor.
• Resistència del cos (R_H): és la resistència del cos al pas de corrent.
• Resistència de retorn (R_R): resistència entre el punt del cos i per on torna el corrent. Normalment el peu.
• Resistència del terra (R_S): resistència elèctrica del terra on ha tingut lloc el contacte.
• Resistència de la presa de terra del neutre del transformador (R_TN): és la resistència de la presa de terra del neutre del secundari del transformador que origina la tensió de la instal·lació.

En la figura podem veure representades les resistències i el corrent de contacte.

Podem apreciar que totes les resistències estan en sèrie i això fa que tot el corrent sigui el mateix al llarg del circuit, circuit del qual forma part el cos humà. Hi tenim 5 resistències en sèrie, la qual cosa vol dir que se sumen. El corrent de contacte directe serà, aplicant una vegada més la llei d’Ohm, la que es determina a continuació:

La protecció contra els contactes directes consisteix a prendre les mesures destinades a protegir les persones contra els perills que poden derivar d’un contacte amb les parts actives dels materials elèctrics. Aquestes proteccions, que trobem descrites al RBT-ITC-24, són habitualment els següents:

• Protecció per aïllament de les parts actives.
• Protecció per mitjà de barreres i embolcalls.
• Protecció per mitjà d’obstacles.
• Protecció per posada fora de l’abast per allunyament.
• Protecció complementària per dispositius de corrent diferencial residual.

Com podem veure, la forma més comuna de protegir-se dels contactes directes és evitar o posar els mitjans necessaris per evitar el contacte d’una part activa amb el cos.

A més d’aquests tipus, podem utilitzar la protecció mitjancant dispositius de corrent diferencial residual, però aquesta protecció, com clarament diu el Reglament, és complementària; és a dir, la utilització d’aquests dispositius no constitueix per si mateixa una mesura de protecció completa i requereix l’ús de qualsevol dels tipus de protecció anteriors.

El contacte indirecte es dóna quan una massa queda accidentalment en tensió i és tocada per una persona, i aleshores la persona també rep la tensió, encara que de forma indirecta, a través de la massa.

El càlcul del corrent que travessa el cos al contacte indirecte és més complex perquè no és un circuit en sèrie, sinó que és un circuit en paral·lel format pel corrent que travessa el cos humà i el corrent que es desvia per la massa a la presa de terra, com es pot veure en la figura.

Per entendre’n millor el càlcul, podem fer-nos l’esquema que es presenta en la figura.

En la figura figura veiem que les resistències que cal tenir en compte són les mateixes que les del contacte directe més la resistència de defecte i la resistència de la presa a terra de les masses:

• Resistència de defecte d’aïllament(R_D): resistència entre les parts actives de la instal·lació i la massa que està accidentalment en tensió.
• Resistència de la presa de terra de les masses (R_TM): la resistència entre la massa i la presa de terra de la instal·lació. Cal no confondre-la amb la resistència de la presa de terra del transformador (R_TN).

En la figura figura també hi ha dos conceptes més:

• Tensió de defecte (V_D): tensió que apareix a causa d’un defecte d’aïllament, entre dues masses, entre una massa i un element conductor, o entre una massa i una presa de terra de referència, és a dir, un punt en el qual el potencial no es modifica en restar la massa en tensió.
• Tensió de contacte (V_C): tensió que apareix entre parts accessibles simultàniament, quan hi ha una fallada d’aïllament. Per conveni aquest terme només s’utilitza amb relació a la protecció contra contactes indirectes. En molts casos el valor de la tensió de contacte resulta influït notablement per la resistència que presenta la persona en contacte amb aquestes parts.

Ara descriurem el procediment més ràpid per calcular la I_H (corrent que travessa el cos humà), encara que, com en qualsevol circuit elèctric, es pot calcular de diverses formes:

1) El primer seria calcular el corrent total; és a dir I_D. Per calcular-lo apliquem la llei d’Ohm a través del recorregut fase-massa-terra:

2) La tensió de defecte serà:

3) Quan es produeix un contacte indirecte, el recorregut del corrent pel cos serà mà-cos-peu-terra i la resistència de pas serà la suma de les resistències de contacte (figura): cos, retorn i terra (i no la presa de terra). Així doncs, el corrent IH que travessa el cos humà serà:

4) La tensió de contacte serà:

Recordem que un contacte indirecte és el contacte de persones o animals domèstics amb parts que s’han posat sota tensió com a resultat d’una fallada d’aïllament. Així que les proteccions per als contactes indirectes estan basades en la detecció de la fallada d’aïllament, que consisteix en el fet que no produeixi aquesta fallada i, per acabar, si es produeix una fallada d’aïllament i una persona té contacte amb una massa en tensió, que el corrent que pugui passar per la persona sigui el mínim possible, tant en quantitat com en durada. I per això són diverses les formes de protecció contra els contactes indirectes que descriu la ITC-BT-24:

• Protecció per tall automàtic de l’alimentació.
• Protecció per ús d’equips de la classe II o per aïllant equivalent.
• Protecció als locals o emplaçaments no conductors.
• Protecció mitjançant connexions equipotencials locals no connectades a terra.
• Protecció per separació elèctrica.

Com es pot veure, són diversos els sistemes, però tots tenen en comú el mateix fet: que el corrent de defecte sigui el mínim possible. I això s’aconsegueix augmentat la resistència o disminuint la tensió. Com sempre, ens remetrem a la llei d’Ohm, que ens diu que per disminuir la intensitat sempre cal augmentar la resistència o baixar la tensió.

A continuació comentem en què consisteixen les proteccions contra els contactes indirectes:

1. Protecció per tall automàtic de l’alimentació. Consisteix a detectar un possible defecte d’un element o equip de la instal·lació en la massa del qual queda en tensió per un defecte d’aïllament i, si es dóna aquest cas, que es talli l’alimentació. La forma més comuna és utilitzar un dispositiu de corrent diferencial residual.
2. Protecció mitjançant l’ús d’equips de la classe II. Consisteix a utilitzar equips que tinguin un doble aïllament i la carcassa també sigui aïllant, i aleshores és impossible el contacte amb una massa amb tensió perquè no és una massa conductora. Evidentment, aquests equips han d’estar comprovats i seguir la normativa per ser classificats com a equips de classe II.
3. Protecció als locals o emplaçaments no conductors. És a dir, amb una resistència del terra més gran que 50 kΩ. D’aquesta manera, encara que toquem una massa accidentalment en tensió, ni hi ha retorn per terra, ni el corrent passa pel nostre cos.
4. Connexions equipotencials no connectades a terra o per separació elèctrica. Del que es tracta és que no hi hagi una diferència de potencial entre el terra que trepitgem i les possibles masses.

El tall automàtic de corrent d’alimentació per corrent diferencial residual és una de les formes per protegir-nos dels contactes directes, i sobretot dels indirectes.

El dispositiu que és capaç de detectar un corrent diferencial residual és l’anomenat generalment diferencial. Veiem què és exactament el corrent diferencial residual.

És a dir, tot el corrent que entra pels conductors ha de sortir pels conductors. Si hi ha un corrent que no surt pels conductors és que surt per una altra banda, com per exemple un defecte d’aïllament i un corrent que torna al transformador per les preses de terra. Quan això passi, l’interruptor diferencial ha de tallar l’alimentació a la part d’instal·lació afectada. Així, podem definir l’interruptor diferencial de la següent manera:

Per entendre millor tots aquests conceptes cal entendre com funciona l’interruptor diferencial, a través de quin mecanisme és capaç de detectar un corrent diferencial residual, com és capaç de fer una suma de corrents…

Per comprendre el funcionament del diferencial cal comprendre el d’un transformador. El diferencial té un transformador toroïdal, on van enrotllats la bobina de la fase i la bobina del neutre amb el mateix nombre d’espires.

Si mirem la figura veurem que el corrent que passa per la fase (I_F) crea un flux de fase (Φ_F). Al mateix temps, el corrent que passa pel neutre (I_N) crea un flux de neutre (Φ_N). El corrent que entra és el mateix que el que surt (I_F = I_N), però en sentit contrari: l’un entra i l’altre surt. Com que els corrents són els mateixos, els fluxos també són els mateixos però en sentit contrari (Φ_F = Φ_N). En ser els fluxos de sentit contrari s’anul·len, així que no entra en funcionament el tercer bobinatge, el bobinatge de detecció. Aquest bobinatge és el que acciona l’interruptor, però ha de passar un flux per dins de la bobina, i com que no n’hi ha perquè s’anul·la, l’interruptor no entra en funcionament.

Vegem ara com entra en funcionament i es dispara deixant sense alimentació la instal·lació (figura).

Quan tenim un defecte a terra -és a dir, hi ha un corrent que torna al transformador per terra (I_d)-, tot el corrent que entra surt per dos llocs, pel neutre i pel terra. Tenim que I_F ≠ I_N perquè I_F = I_N + I_d. Aleshores I_F crea un flux Φ_F que és diferent al flux Φ_N, perquè com hem dit I_F és diferent de I_N. Apareix així un flux dins del tor magnètic, aquest flux Φ_d = Φ_F – Φ_N fa que per la bobina de detecció es creï una diferència de potencial que actua sobre l’electroimant i obri el circuit d’alimentació.

Una altra possibilitat de fer disparar l’interruptor diferencial és mitjançant un polsador de prova que tots incorporen (polsador de TEST). Per veure’n el funcionament de prova vegeu la figura.

El principi de funcionament és el mateix, però aquesta vegada en comptes d’un corrent que surt per terra és un corrent que passa per fora de l’anell. És a dir, el corrent de defecte (I_d) passa pel polsador de prova i fa que el corrent de fase i de neutre no siguin iguals (I_N ≠ I_F). Això provoca que, com en el cas anterior, els fluxos al tor no siguin iguals i de sentit oposat, aleshores hi ha un flux que fa anar la bobina de detecció i obre l’interruptor que talla l’alimentació de la instal·lació.

El magnetotèrmic, que com indica el nom està compost per un element tèrmic i un element magnètic, també s’anomena PIA (petit interruptor automàtic), i és definit per l’ITC-BT-01 de la següent manera:

Com es veu en la definició del Reglament, no solament defineix magnetotèrmic, sinó que també defineix interruptor de control de potència, ja que tots dos dispositius són molt semblants, tot i que cadascun compleix una funció diferent.

L’interruptor de control de potència (ICP) és un dispositiu que té el mateix funcionament que el magnetotèrmic. És a dir, que es basa en el mateix principi de funcionament. La diferència és que, mentre el magnetotèrmic és un element de seguretat per a la instal·lació, l’interruptor de control de potència (ICP) no és un dispositiu de seguretat, sinó un dispositiu que les companyies de subministrament elèctric obliguen a posar als seus contractats perquè no es passin de la potència contractada.

A efectes pràctics, un ICP és com un magnetotèrmic però que dispara molt ràpidament quan se sobrepassa la potència contractada a la companyia subministradora.

Tots dos dispositius tenen el mateix principi de funcionament: limiten el corrent que passa per la instal·lació; el magnetotèrmic per qüestions de seguretat i l’ICP per qüestions de potència màxima contractada.

En la definició també es parla de curtcircuit i de sobrecàrrega. Moltes vegades al principi la diferència entre un fenomen i l’altre és poc clara, però saber distingir l’un de l’altre és fonamental.

La desconnexió del magnetotèrmic és automàtica quan hi ha una sobrecàrrega o un curtcircuit. Però també pot ser manual si s’acciona la maneta de maniobra. La connexió o la reconnexió després d’una desconnexió del magnetotèrmic és sempre manual, i això vol dir que després d’una desconnexió la reconnexió ha de realitzar-la manualment una persona. Si el defecte, tant sobrecàrrega com curtcircuit, segueix present a la instal·lació la maneta manual no reconnectarà el magnetotèrmic. I a més a més, en el cas de sobrecàrrega, encara que aquesta ja no hi sigui present al circuit, cal esperar una mica fins que el magnetotèrmic es refredi perquè l’escalfament i el refredament és un procés que necessita el seu temps.

L’element tèrmic del magnetotèrmic pot ser un bimetall. Aquest bimetall té forma de làmina i a través d’ella passa el corrent, de manera que com més corrent passi, més s’escalfa.

És conegut el fenomen de dilatació que ofereixen els metalls quan s’escalfen, i és aquest fenomen físic el que s’utilitza com a principi per al funcionament de l’element tèrmic del magnetotèrmic.

Com que els dos metalls són diferents tenen diferents coeficients de dilatació, la qual cosa fa que en estar tots dos junts es dobleguin i accionin així els contactes de l’interruptor.

L’element tèrmic del magnetotèrmic actua en cas de sobrecàrrega, però no en cas de curtcircuit. L’element tèrmic té el principi de funcionament en l’escalfament, i el que produeix aquest escalfament és una sobrecàrrega. L’escalfament i la dilatació dels metalls és un procés molt lent i un curtcircuit és tan ràpid que no dóna temps que produeixi la dilatació dels metalls. Així es fa necessari un altre element que sigui capaç de detectar els grans i instantanis corrents d’un curtcircuit.

L’element magnètic del magnetotèrmic està dissenyat per actuar quan es produeix un curtcircuit, un corrent molt elevat per un període de temps molt curt.

Per detectar aquest corrent s’utilitza la bobina amb un nucli mòbil. El principi de funcionament és com el de qualsevol relé.

Una bobina, és a dir, un conductor enrotllat amb forma d’espiral dins de la qual hi ha un nucli de ferro mòbil, quan passa un corrent pel conductor de la bobina es crea un camp magnètic que fa que el nucli de ferro mòbil es bellugui, aquest moviment dispara el dispositiu, fa que s’obrin els contactes ràpidament i es talla així l’alimentació a la instal·lació de manera que evita possibles accidents més greus.

Una vegada més cal recordar que el sistema magnètic està previst perquè funcioni quan n’hi hagi prou amb un corrent i faci que el nucli de ferro es bellugui. I això no passa per una sobrecàrrega ja que aquesta no és un corrent prou fort, cal que sigui el corrent fort d’un curtcircuit. Així doncs, cal que ens quedi ben clar el següent:

Vegem ara la disposició aproximada de cadascun dels elements dins de l’interruptor magnetotèrmic (figura).

Com es pot veure en la figura, el magnetotèrmic té la bobina magnètica que actua en cas de curtcircuit i el bimetall que actua quan hi ha un escalfament lent però constant, és a dir, una sobrecàrrega. I per mitjà de palanques i molls s’obren els contactes que accionen el circuit d’alimentació de la instal·lació. Com que normalment les instal·lacions estan alimentant diferents càrregues, pels contactes passa un corrent que no pot ser interromput bruscament sense que es creï un arc elèctric. Perquè aquest arc elèctric sigui tan curt com sigui possible a dins del magnetotèrmic hi ha l’anomenada cambra d’extinció (vegeu la figura).

La qualitat i la grandària dels contactes i de la cambra d’extinció faran que el magnetotèrmic duri més o menys anys, i que sigui capaç d’obrir el circuit encara que els corrents que passin en aquest moment siguin molt grans. Aquests corrents són molt grans perquè hem de tenir en compte que el magnetotèrmic ha d’obrir el circuit quan tinguem un curtcircuit, i els corrents de curtcircuit poden ser molt alts, per exemple 3.000 A.

Les corbes de disparament són uns gràfics on podem veure i estudiar el comportament o funcionament del magnetotèrmic en funció del corrent elèctric que volem limitar (figura). Són les corbes límit on veiem si el magnetotèrmic entrarà en funcionament, és a dir, si desconnectarà el circuit d’alimentació de la instal·lació.

La gràfica consisteix -com la majoria dels gràfics en dos eixos- en un eix x, on indiquem la intensitat que passa pel magnetotèrmic, i un eix y, on indiquem durant quant de temps ha de passar aquesta intensitat fins que el magnetotèrmic es dispari.

Si un motor consumeix 27 A, li posarem un magnetotèrmic de 32 A.

El temps (eix y) és donat normalment als catàlegs dels fabricants en ms (mil·lisegons) i la intensitat és donada en un tant per cent de la nominal. La nominal és la intensitat per la qual està dissenyat el magnetotèrmic. Les intensitats nominals dels PIA o magnetotèrmic són: 10, 16, 20, 25, 32, 40, 50 i 63 A. És a dir, difícilment trobarem un magnetotèrmic de 27 A, caldrà posar-lo de 32 A.

Per al mateix principi de funcionament hi ha dues parts ben diferenciades, per una banda, la part tèrmica i per l’altra, la part magnètica, ja que a les corbes hi ha dues parts: la part tèrmica i la part magnetotèrmica.

El magnetotèrmic cobreix o ens dóna protecció enfront de curtcircuits i sobrecàrregues a la instal·lació, però no totes les instal·lacions són iguals. Hi ha instal·lacions generals, com les d’un habitatge, que donen corrent a elements de molts diversos tipus, però de poca intensitat. Tanmateix, hi ha instal·lacions industrials que alimenten només motors o transformadors que tenen grans intensitats, sobretot en el moment d’engegar-los. Sembla clar que no es pot utilitzar un mateix tipus de magnetotèrmic per a l’habitatge i per a la indústria amb motors de gran potència.

Com es veu en la figura, hi ha principalment 3 tipus de magnetotèrmics, pel que fa al tipus de corbes.

• Tipus de corba B: aquí els magnetotèrmics tenen una desconnexió tèrmica o magnètica entre 3 i 5 vegades la nominal. És a dir, si el magnetotèrmic té un corrent nominal de 32 A, dispararà entre 96 A i 160 A. Aquests magnetotèrmics s’utilitzen principalment per a generadors i cables de gran longitud on no hi ha pics importants de corrent.
• Tipus de corba C: aquí els magnetotèrmics tenen una desconnexió tèrmica o magnètica entre 5 i 10 vegades la nominal i són els més utilitzats per a circuits d’enllumenat i preses de corrent generals com per exemple als habitatges.
• Tipus de corba D: aquí els magnetotèrmics, que tenen un disparament entre 10 i 20 vegades el corrent nominal, s’utilitzen en llocs o instal·lacions on hi ha connectats receptors que tenen un fort corrent d’engegada, com ara els transformadors per soldadura per arc, o els motors de gran potència.

A la indústria un cas molt típic és un transformador per soldadura per arc elèctric que en el moment d’engegar-lo el magnetotèrmic es dispara. La solució típica però equivocada és posar un magnetotèrmic d’una intensitat nominal molt superior a la que consumeix el transformador, però d’aquesta manera no estem protegint-lo enfront de sobrecàrregues. La solució correcta és posar un magnetotèrmic de corba tipus D i intensitat nominal lleugerament superior a la nominal del transformador. En ser tipus D no es dispararia en l’engegada i el transformador quedaria protegit per sobrecàrrega.

La selectivitat tracta de fer que es desconnecti aquell magnetotèrmic que està més a prop del defecte (curtcircuit o sobrecàrrega) i no el general. Si el quadre té diversos circuits protegits per magnetotèrmics locals i un magnetotèrmic general, la selectivitat tracta que es dispari només el que protegeix un circuit i no el general. En cas que es desconnecti el magnetotèrmic general, quedarà tota la instal·lació sense corrent, mentre que si ho fa només un circuit, en aquest cas, el circuit on hi ha el curtcircuit o la sobrecàrrega, aquest queda desconnectat i la resta, que no tenen cap problema, poden seguir funcionant.

Si per exemple tenim 3 circuits de 20 A, i posem en cadascun dels circuits un magnetotèrmic de 20 A, i també posem un magnetotèrmic general de 50 A, la cosa normal és que enfront d’una sobrecàrrega de 45 A es dispari el magnetotèrmic del circuit afectat però no el general. Però enfront d’un curtcircuit de corrent elevat, la selectivitat no s’aconsegueix si no és amb aparells molt especials.

Com podem veure en la figura (les corbes de dos magnetotèrmics, el magnetotèrmic A i el B) enfront d’una petita sobrecàrrega l’interruptor B obrirà el circuit i el A no, perquè el B està més a l’esquerra, en les intensitats més petites. Però enfront d’un curtcircuit el disparament ja no és selectiu. Les dues corbes dels magnetotèrmics s’ajunten i això vol dir que tots dos es dispararan a la vegada.

L’ICP (interruptor de control de potència) és l’element que limita el consum d’acord amb els kilowatts que tenim contractats amb la companyia de subministrament.

El limitador o ICP només desconnecta la instal·lació quan la potència dels aparells connectats simultàniament és més gran que la potència contractada.

L’ICP se situa sempre a l’esquerra en el quadre general a l’entrada de l’edifici i a dintre d’una caixa precintable segons la figura.

En essència, l’ICP és un magnetotèrmic però amb una corba lleugerament diferent. Així doncs, té el mateix funcionament. De fet, el REBT de la ITC-BT-01 defineix conjuntament l’interruptor de control de potència (ICP) i el magnetotèrmic.

Hi ha dues tipologies bàsiques de funcionament i d’ICP:

• ICP-M. Una vegada sobrepassada la potència contractada es dispara automàticament, i s’ha de tornar a connectar el circuit manualment. Cal posar els ICP manuals dins del local o habitatge perquè l’usuari pugui restablir el servei.
• ICP-A. És tot automàtic, tant el disparament com la reconnexió, encara que la reconnexió no es produeix fins passats uns segons. Quan es tracta d’ICP de reconnexió automàtica pot estar fora del local.

Les instal·lacions elèctriques han d’estar protegides contra pujades de tensions incontrolades, normalment d’origen atmosfèric, ja que poden afectar la seguretat de la instal·lació, els equips o fins i tot posar en perill la vida de les persones o animals. A més, també es pot veure afectada la continuïtat del servei i podria provocar una situació de risc per a les persones, especialment en hospitals o locals de concurrència pública.

Hi ha dos tipus de sobretensions:

• Sobretensions permanents: són sobretensions per sobre del 10% del valor nominal de tensió i es mantenen durant un temps superior a diversos cicles de l’ona alterna sinusoïdal, o sigui, de manera permanent. El motiu principal d’aquestes sobretensions es deu a talls del neutre abans de tallar les fases, o bé a defectes de connexió. Per protegir els habitatges d’aquestes sobretensions permanents els fabricants han desenvolupat una bobina de protecció que controla la tensió de la instal·lació i va associada als contactes de l’IGA. Si la tensió sobrepassa de manera permanent una tensió llindar d’uns 253 V, (depèn del model de dispositiu), llavors aquesta bobina actua com un electroimant i desconnecta l’interruptor general automàtic o IGA (vegeu la figura).

• Sobretensions transitòries: la ITC-BT-23 tracta de la protecció d’aquestes sobretensions, que es transmeten per les xarxes de distribució i que s’originen, principalment, per tres motius:
  • Descàrregues atmosfèriques.
  • Commutacions de xarxes.
  • Defectes a les xarxes.

Les sobretensions transitòries són, a diferència de les permanents, de microsegons de durada, però de valor eficaç de tensió molt elevat (milers de volts). Per protegir els efectes d’aquestes sobretensions hi ha els descarregadors o limitadors de sobretensions que, connectats al cable de protecció verd i groc, protegeixen els receptors (vegeu la figura).

Segons la ITC-BT-23 aquest limitador de sobretensió, per garantir la continuïtat del servei, ha d’anar protegit amb el seu propi interruptor automàtic i s’haurà de connectar en paral·lel a la instal·lació, aigües amunt de l’interruptor diferencial (vegeu la figura).

Els fabricants de dispositius de protecció han desenvolupat diferents solucions per tal de reduir l’espai dels components al quadre de comandament i protecció. Una solució compacta, per exemple, són els limitadors de sobretensions amb interruptor de connexió monofàsic incorporat en dos mòduls per carril normalitzat, com el que es mostra a la figura i figura.

Cal dir que la ITC-BT23 no recull la normativa referent a les sobretensions directes del llamp (NTE:parallamps) sinó de les sobretensions causades per la influència de la descàrrega llunyana del llamp, commutacions de la xarxa, defectes de xarxa, efectes inductius, capacitius, etc.

Es poden presentar dues situacions diferents:

• Situació natural: quan no cal la protecció contra sobretensions transitòries (instal·lacions amb baix risc, ja que estan alimentades per xarxes subterrànies i la resistència dels equips a les sobretensions es considera suficient).
• Situació controlada: quan cal la protecció contra sobretensions transitòries (instal·lacions amb risc de sobretensions transitòries per la zona geogràfica o bé per l’alimentació aèria amb conductor nus o bé perquè es considera convenient augmentar la seguretat –continuïtat del servei, valor econòmic dels equips, etc.).

A la ITC-BT-23 es defineixen unes categories de les sobretensions que indiquen els valors de tensió suportada en l’ona de xoc de sobretensió que han de tenir els equips com a màxim. Els diferents dispositius han de permetre limitar la tensió d’entrada a un valor inferior (Up) al valor màxim de tensió residual de cada categoria. Per aconseguir un nivell de tensió residual no perillós per als equips i una capacitat de derivació d’energia que prolongui la vida i l’efectivitat dels dispositius de protecció s’utilitza una estratègia de protecció en cascada de tres nivells de protecció: basta (tipus 1), mitjana (tipus 2) i fina (tipus 3):

• Categoria I: equips i aparells molt sensibles a sobretensions que necessiten una protecció fina que deixi una tensió residual molt petita. Com a exemples tenim ordinadors, equips electrònics, etc.
• Categoria II: equips i aparells destinats a connectar-se a la instal·lació elèctrica que requereixen una protecció mitjana. Serien electrodomèstics, eines portàtils i equips similars.
• Categoria III: equips i materials que formen part de la instal·lació fixa i requereixen protecció basta. En són exemples els armaris de distribució, embarrats, aparellatge (seccionadors, preses de corrents…), canalitzacions i els seus components, motors industrials, etc.
• Categoria IV: equips connectats a l’escomesa general de BT, és a dir, a l’origen de la instal·lació de l’edifici. Necessiten una protecció basta i podrien ser els comptadors d’energia, els aparells de telemesura, els equips principals de protecció contra sobreintensitats, etc.

En la figura teniu la imatge d’un tipus d’elèctrodes que es poden soterrar.

Mitjançant la instal·lació de connexió de terra s’ha d’aconseguir que en el conjunt d’instal·lacions, edificis i superfície pròxima del terreny no apareguin diferències de potencial perilloses i que, alhora, permeti el pas a terra dels corrents de defecte o els de descàrrega d’origen atmosfèric.

Així doncs, la presa de terra són els elèctrodes, i quan parlem de terra, sense referir-nos a la presa de terra ens estem referim a determinats punts de la instal·lació.

La connexió de terra consisteix a posar uns elèctrodes al terreny de manera que el terra que trepitgem i la instal·lació elèctrica quedin elèctricament units. Ens serveix així de potencial zero. Quan ens diguin que una fase té una tensió de 230 V vol dir que tenim 230 V respecte del terra que és el potencial zero.

Però sempre hi ha una resistència, és a dir, no hi ha un contacte perfecte entre elèctrodes i terreny. La resistència total dependrà del terreny i de la quantitat d’elèctrodes. En terrenys més aïllants faran falta un nombre més gran d’elèctrodes.

Vegem ara la resistivitat del terreny, i com podem calcular-la o mesurar-la.

La resistivitat del terreny depèn de la seva naturalesa (pedregós, sorra, argila…). Aquesta és fixa, és a dir, es manté durant tot l’any. Però també depèn de la humitat, temperatura i salinitat, és a dir, la resistivitat del terreny es veu afectada per les variacions estacionals.

Com es pot veure en la taula, la resistivitat és més elevada si les partícules que formen el terreny també són més grans; per exemple, la grava té més resistivitat que la sorra i la sorra més resistivitat que l’argila. Per tant, podem utilitzar la taula, que és més resumida.

Per calcular o per conèixer el valor de la resistivitat del terreny, cal en primera instància fer un càlcul teòric suposant el tipus de terreny que tenim. Però si no estem segurs del tipus de terreny (argila, sorra…) o volem saber de forma molt exacta la resistivitat del terreny ens cal mesurar-lo.

En la mesura cal tenir en compte que la resistivitat depèn de la temperatura, salinitat i sobretot de la humitat del terreny. Així, si mesurem el terreny en l’època de pluges o immediatament després d’una gran ploguda pot donar-nos un valor de resistivitat molt baix que no es mantindrà durant la resta de l’any. Cal fer, per tant, la mesura en l’època més seca, o fer diverses mesures en diferents èpoques de l’any, depenent de l’exactitud de la mesura que vulguem obtenir.

L’aparell que s’utilitza per mesurar la resistivitat del terreny és un aparell fabricat expressament. L’aparell per mesurar la resistivitat del terreny consisteix en un generador de corrent altern, un amperímetre i un voltímetre. Hi ha aparells antics que només feien aquesta mesura i estaven fabricats expressament per a aquesta mesura. Però des de la sortida l’any 2002 del nou reglament (REBT) i com que són moltes les mesures que cal fer, s’utilitzen uns aparells multifunció, que realitzen totes les mesures que ens calen a les instal·lacions elèctriques, i una d’aquestes és la resistivitat del terreny.

La mesura de la resistivitat del terreny és molt important perquè ens permetrà calcular el nombre d’elèctrodes que caldrà posar a la instal·lació de la presa de terra perquè tingui una bona i segura connexió de terra.

Per a la mesura de la resistivitat del terreny necessitem quatre piquetes i un tipus de connexió diferent que per a la mesura de la presa de terra, que es fa només amb dues piquetes auxiliars.

Normalment cal seguir les instruccions de l’aparell que utilitzem, ja que depenent del tipus i la marca caldrà fer alguna petita variació. Però la forma normal i típica de mesurar la resistivitat del terreny és mitjançant el conegut mètode de les quatre piquetes, que consisteix en l’esquema de la figura.

La resistivitat és donada per:

De tota manera, aquest càlcul ja el realitzen els instruments de mesura digitals i ens en donen directament la mesura. És a dir, el valor de ρ.

El principi de funcionament és el que es representa en la figura, mitjançant 4 piquetes que es claven al terreny on volem mesurar la resistivitat a una profunditat màxima de a/20, on a és la distància entre piquetes.

La resistència de les preses de terra, és a dir, la quantitat d’elèctrodes que cal posar, es dimensiona perquè en qualsevol circumstància previsible, qualsevol massa no doni lloc a tensions de contacte superiors a:

• 24 V en local o emplaçament conductor (humit).
• 50 V en la resta dels casos.

Aquesta tensió és limitada pel dispositiu diferencial que s’utilitzi en cada cas, però que als habitatges es limita sempre mitjançant la sensibilitat de I_Δn = 30 mA. I per calcular la resistència del terra s’utilitza la fórmula que us presentem a continuació, en què s’han de tenir en compte la tensió de contacte (V_C) i la intensitat del diferencial o sensibilitat (I_Δn):

Així, per a locals no conductors (secs) i si utilitzem un interruptor diferencial de I_Δn = 30mA, és necessari que la resistència del terra sigui com a mínim de:

I per a locals humits:

Per als habitatges sí que s’utilitzen sempre interruptors diferencials de 30 mA per imposició del REBT, però per als altres usos (indústries, comerços…) poden utilitzar-se diferencials de 10, 30, 300, 500 mA. Així doncs, la resistència màxima dels terres s’han de calcular d’acord amb el diferencial que posem (taula).

Aquests valors dels terres normalment són molt més baixos. Moltes vegades s’agafen aquests valors de les normes tecnològiques d’edificació NTE per a qualsevol tipus d’instal·lació, ja que hi ha recomanacions dels valors de resistència de presa de terra. També haurem de tenir en compte, com sempre, les normes particulars de la companyia elèctrica, ja que aquestes sí que són obligatòries i més restrictives que el REBT.

• Edificis destinats principalment a habitatges: 80Ω màxim.
• Edificis amb parallamps: 15Ω màxim.
• Instal·lacions de màxima seguretat: 2 a 5Ω màxim.
• Instal·lacions de sales d’ordinadors: 1-2Ω màxim.

Coneixent el valor màxim de la resistència de les preses de terra, ara el que ens cal és calcular el nombre de piquetes que ens faran falta per aconseguir-lo. També hem de tenir en compte que hi ha diferents tipus d’elèctrodes i que cadascun ens dóna un valor de resistència de terra, és a dir, tindrà una fórmula de càlcul diferent.

Segons la ITC-BT-18, per a la presa de terra es poden utilitzar elèctrodes formats pel següent:

• Barres, tubs.
• Platines, conductors nus.
• Plaques.
• Anells o malles metàl·liques constituïts pels elements anteriors o les seves combinacions.
• Armadures de formigó soterrades, a excepció de les armadures pretensades.
• Altres estructures soterrades que es demostri que són apropiades.

El tipus i la profunditat de soterrament de les preses de terra han d’impedir que la possible pèrdua d’humitat del terra, la presència de gel o altres efectes climatològics augmentin la resistència del terra per sobre del valor previst. La profunditat mai no ha de ser més petita que 0,50 m.

Principalment hi ha tres tipus d’elèctrodes que s’utilitzen comunment: les piques, les plaques i el cable nu soterrat.

1) Piques. Són elèctrodes allargats que s’introdueixen al terreny verticalment.

Es fabriquen normalment amb acer galvanitzat o amb barres de coure i la seva longitud és com a mínim de 2 metres (vegeu figura).

El valor de la resistència que ofereixen aquests elèctrodes és directament proporcional a la resistivitat del terreny i inversament proporcional a la longitud d’aquests:

on:

• ρ és la resistivitat del terreny
• L és la longitud de la piqueta

2) Plaques. Són elèctrodes rectangulars que ofereixen una gran superfície de contacte amb el terreny si la comparem amb el seu gruix.

Les plaques, que poden ser de coure o d’acer galvanitzat, tenen 2 mm i 2,5 mm de gruix mínim respectivament.

La resistència d’aquest elèctrode és directament proporcional a la resistivitat del terreny i inversament al perímetre de la placa.

on:

• ρ és la resistivitat del terreny
• P és el perímetre de la placa

3) Conductors nus soterrats horitzontalment. És un elèctrode que es col·loca situant horitzontalment un cable nu en el terreny o en la cimentació dels edificis.

Per això s’utilitza un cable de coure massís en el terreny d’una secció mínima de 35 mm².

La resistència que ofereix el conductor soterrat (vegeu la figura) és directament proporcional a la resistivitat del terreny i inversament proporcional a la longitud en metres de cable soterrat:

on:

• ρ és la resistivitat del terreny
• L és la longitud del cable soterrat

La forma de col·locar-lo és en rases excavades prèviament, per això solen aprofitar-se els fonaments dels edificis. Després es posen les rases en un traçat sinuós per augmentar la longitud del cable i a una profunditat mínima de 0,5 metres, encara que la norma tecnològica de l’edificació recomana 0,8 metres de profunditat.

I és molt importat que sigui tot el conductor sense empalmaments. En cas de ser necessari fer un entroncament es realitzarà amb soldadura d’alt punt de fusió, com ara la soldadura aluminotèrmica (vegeu la figura).

La millor forma d’instal·lar-lo és posar el cable pel perímetre de l’edifici i sota els fonaments, i si no és suficient continuar la rasa per un dels laterals.

Les fórmules per estimar la resistència de terra en funció de la resistivitat del terreny i les característiques de l’elèctrode són les que apareixen en la taula, a on:

• ρ = resistivitat del terreny (Ω·m)
• P = perímetre de la placa (m)
• L = longitud de la pica o del conductor (m)

Taula Fórmules per estimar la quantitat d’elèctrodes necessaris

Elèctrode	Resistència de terra en Ω
Pica vertical
Placa soterrada
Conductor soterrat

Els elèctrodes de la presa a terra van tots units, mitjançant els anomenats conductors de terra (figura).

Aquests conductors de terra tampoc no han de tenir empalmaments. Si se’n fa algun haurà de ser amb soldadura aluminotèrmica. Després cal connectar-los al que serà el circuit principal del terra, i per això es fa necessària la creació d’unes arquetes registre que permetran la connexió i desconnexió per poder independitzar el circuit de la connexió de terra del terra general de l’edifici i així poder mesurar-la. Per a aquesta connexió i desconnexió s’utilitzarà un pont seccionador de terra desmuntable per mitjà d’un estri.

Resumint, en tota instal·lació de connexió de terra s’ha de preveure un born principal de terra, al qual s’han d’unir els conductors següents:

• Els conductors de terra.
• Els conductors de protecció.
• Els conductors d’unió equipotencial principal: Aquests conductors serveixen per connectar la canalització metàl·lica principal d’aigua a terra per mitjà del born principal de terra.
• Els conductors de posada a terra funcional, si s’escau.

Els conductors de protecció han d’unir les masses al conductor de terra. El recorregut del conductor de protecció seria el següent: surt des del born de connexió de terra, després va a l’embarrat dels comptadors i des d’aquests a cadascun dels circuits de la instal·lació. Cal connectar totes les masses al cable de protecció (verd-i-groc).

Vegem ara tot el conjunt de la connexió de terra en cadascun dels seus elements (figura).

1. Preses de terra o elèctrodes. Estan en contacte directe amb el terreny, encara que tenen una resistència que depèn de la naturalesa del terreny i de la quantitat d’elèctrodes.
2. Conductors de terra. Uneixen els elèctrodes entre ells.
3. Born de connexió de terra. S’encarrega d’unir els cables de terra amb els conductors de protecció i s’ha de preveure en un lloc accessible un dispositiu que permeti mesurar la resistència de la presa de terra corresponent, per la qual cosa ha de ser desmuntable.
4. Conductors de protecció. Serveixen per unir elèctricament les masses de la instal·lació. I després aquests han d’anar units als conductors de terra i finalment a les preses de terra.

Els conductors de protecció han de tenir un diàmetre mínim que ens ve donat per la ITC-BT-18 i són els que veiem en la taula.

Si el conductor de fase és més petit que 16 mm² el conductor de protecció cal que tingui el mateix diàmetre que el de fase. Si el de fase és d’una secció entre 16 i 35 mm², el conductor de protecció ha de ser com a mínim de 16 mm², i si el de fase és de 35 mm² o més gran, cal que el de protecció sigui com a mínim la meitat que el de la fase.

La instal·lació del terra té una gran importància des del punt de vista de la seguretat. Per això cal que el director d’obra o l’instal·lador autoritzat la comprovi al principi, en la posada en marxa de la instal·lació. Després de la posada en marxa cal fer una revisió anual.

La resistència del terra és variable al llarg de tot l’any. Per això és millor mesurar-la en les condicions més desfavorables, és a dir, quan el terreny està més sec.

La presa de terra es mesura segons l’esquema de la figura: l’aparell de mesura aplica una tensió alterna entre l’elèctrode que volem mesurar (P) i l’elèctrode auxiliar (B), mesurant la intensitat que circula entre tots dos. També es mesura la tensió (V) entre l’elèctrode que estem mesurant i l’altra pica auxiliar (S), que ha d’estar com a mínim a 6 m dels altres dos elèctrodes. La resistència de les preses de terra es calcularà com sempre aplicant la llei d’ohm:

Per fer aquesta mesura hi ha aparells especials anomenats tel·luròmetres, que estan equipats amb una font d’alimentació per crear la tensió alterna i amb unes piquetes auxiliars per posar-les al terreny. Actualment s’utilitzen aparells digitals que no sols mesuren el terra, sinó que tenen altres funcions.

Per a qualsevol edificació nova s’ha de fer una presa de terra segons el sistema o mètode següents:

Instal·lant al fons de les rases de fonamentació dels edificis, i abans que la fonamentació comenci, un cable rígid de coure nu d’una secció mínima segons indica la ITC-BT-18, de manera que formi un anell tancat que integri tot el perímetre de l’edifici. En aquest edifici s’han de connectar elèctrodes verticalment clavats al terreny quan es prevegi la necessitat de disminuir la resistència de terra que pugui presentar el conductor en anell. Quan es tracti de construccions que comprenguin diversos edificis pròxims, s’ha de procurar unir entre ells els anells que formen la presa de terra de cadascun d’aquells, per tal de formar una malla de l’extensió més gran possible.

Els conductors de coure nus utilitzats com a elèctrodes han de ser de construcció i resistència elèctrica segons la classe 2 de la norma UNE 21002 (conductor format per diversos filferros rígids cablejats entre ells). Amb una secció de 35 mm² segons l’NTE 1973 “connexió de terra”.

La profunditat mínima de soterrament del conductor recomanada és de 0,8 m.

Quan es vol millorar l’eficàcia de la connexió de terra de la conducció soterrada, s’ha d’afegir el nombre de piques necessàries que es repartiran proporcionalment al llarg de l’anell soterrat, connectades a aquesta i separades una distància no inferior a 2 vegades la seva longitud.

En la taula es referencien les normes UNE que s’utilitzen segons la connexió de terra.

Mitjançant la taula es pot determinar el nombre orientatiu d’elèctrodes verticals en funció de les característiques del terreny, la longitud de l’anell i segons la presència o no de parallamps a l’edifici.

La resistència a terra obtinguda amb l’aplicació dels valors d’aquesta taula hauria de ser, a la pràctica, inferior a 15 per a edificis amb parallamps i de 37 per a edificis sense parallamps.

A la figura es mostra un exemple de com calcular la longitud en planta d’un anell de connexió de terra.

La longitud en planta de l’anell de la figura és:

:

En rehabilitació o reforma d’edificis existents, la connexió de terra s’ha de poder fer també situant en celoberts o jardins particulars de l’edifici un elèctrode o més de característiques adequades.

En el conductor en anell, o bé en els elèctrodes, s’han de connectar, si escau, l’estructura metàl·lica de l’edifici o, quan la seva fonamentació es faci amb sabates de formigó armat, un cert nombre de ferros dels considerats principals i, com a mínim, un per safata.

Aquestes connexions s’han d’establir de manera fiable i segura, mitjançant una soldadura aluminotèrmica o autògena (vegeu la figura).

Les línies d’enllaç amb el terra s’han d’establir d’acord amb la situació i el nombre previst de punts de connexió de terra. La naturalesa i la secció d’aquests conductors han de ser conformes a la taula i taula.

A la presa de terra establerta s’hi ha de connectar qualsevol massa metàl·lica important, existent a la zona de la instal·lació, i les masses metàl·liques accessibles dels aparells receptors, quan la seva classe d’aïllaments o condicions d’instal·lació així ho exigeixin.

En aquesta mateixa presa de terra s’han de connectar les parts metàl·liques següents:

• Dipòsits de gasoil.
• Instal·lacions de calefacció general.
• Instal·lacions de gas canalitzat.
• Antenes de ràdio i televisió.
• Instal·lacions d’aigua.

Quan aquestes parts conductores tinguin el seu origen a l’exterior de l’edifici, s’hauran de connectar a terra tan a prop com sigui possible de l’entrada de l’edifici.

Els punts de connexió de terra són els cinc següents, que poden coexistir alhora, però es considera born principal el número 2, és a dir, el situat al lloc de la centralització de comptadors:

• Als celoberts destinats a cuines i cambres de banys, etc. en reformes o rehabilitació d’edificis existents.
• Al local o lloc de la centralització de comptadors, si n’hi ha.
• A la base de les estructures metàl·liques dels ascensors o muntacàrregues, si n’hi ha.
• En el punt d’ubicació de la caixa general de protecció.
• En qualsevol local on es prevegi la instal·lació d’elements destinats a serveis generals o especials i que, per la seva classe d’aïllament o condicions d’instal·lació, s’han de posar a terra. Aquest punt s’ha de situar al costat de la mateixa caixa, amb la finalitat de ser utilitzada com a punt de mesurament, o durant l’execució, manteniment o reparació de la xarxa de distribució.

Les línies principals i les seves derivacions s’han d’establir en les mateixes canalitzacions que les línies generals d’alimentació i derivacions individuals de l’edifici.

Per tenir més informació sobre les línies principals i les seves derivacions hem de consultar la ITC-BT-18 per a conductors de protecció. Les línies principals es troben connectades directament a un born de connexió de terra amb pont seccionador, mentre que les derivacions individuals es connecten a terra mitjançant les línies principals.

En edificis per a habitatges amb una única centralització de comptadors, la línia principal de terra està formada pel conductor de protecció que va des del born de posada fins a l’embarrat de protecció i borns de sortida de la centralització de comptadors. Quan hi ha centralitzacions de comptadors en diverses ubicacions, aquesta línia principal de terra discorre per la mateixa canalització que la LGA fins a l’embarrat de protecció de cada canalització.

La derivació d’una línia principal de terra està formada pel conductor de protecció que discorre des de l’embarrat de protecció de la centralització de comptadors fins a l’origen de la instal·lació interior, per la mateixa canalització que les derivacions individuals.

La secció dels conductors que constitueix les derivacions de la línia principal de terra ha de ser la que assenyala la ITC-BT-19 per als conductors de protecció, segons indica la taula.

Les línies de terra de la instal·lació interior es denominen, simplement, conductors de protecció.

S’admet, únicament, l’entrada directa de les derivacions de la línia principal de terra a cuines i cambres de bany quan, per la data de construcció de l’edifici, no s’hagués previst la instal·lació de conductors de protecció. En aquest cas, les masses dels aparells receptors, quan les seves condicions d’instal·lació ho exigeixin, s’han de poder connectar a la línia principal de terra directament, o bé mitjançant preses de corrent que disposin de contacte de connexió de terra.

Al punt o punts de connexió de terra indicats com a celoberts destinats a cuines i cambres de bany en rehabilitació o reforma d’edificis existents s’han de connectar les línies principals de terra. Aquestes línies es poden instal·lar pels celoberts o per canalitzacions interiors, a fi d’establir l’altura de cada planta de l’edifici i la seva derivació fins al born de connexió dels conductors de protecció de cada local o habitatge.

Les línies principals de terra han de ser constituïdes per conductors de coure de la mateixa secció que fixa per als conductors de protecció la instrucció ITC- BT-19, amb un mínim de 16 mm², com s’exposa en la taula.

Les línies principals de terra poden ser formades per barres planes o rodones, per conductors nus o aïllats, i han de disposar d’una protecció mecànica a la part en què aquests conductors siguin accessibles, i també als passos de sostres, parets, etc.

No es poden utilitzar com a conductors de terra les canonades d’aigua, gas, calefacció, desguassos, conductes d’evacuació de fums o escombraries, ni les cobertes metàl·liques dels cables, tant de la instal·lació elèctrica com de telèfons o de qualsevol altre servei similar, ni les parts conductores dels sistemes de conducció dels cables, tubs, canals i safates.

Les connexions als conductors de terra s’han de fer mitjançant dispositius, amb cargols de collar o altres de similars, que garanteixin una connexió entre ells contínua i perfecta.

La protecció contra contactes indirectes s’ha de fer mitjançant la connexió de terra de les masses i l’ús de dispositius que descriu la ITC-BT-25.

Es podran utilitzar un o diversos interruptors diferencials, amb una intensitat diferencial-residual màxima de 30 mA i una intensitat assignada superior o igual que la de l’interruptor general.

Quan s’usin interruptors diferencials en sèrie, caldrà garantir que tots els circuits queden protegits enfront d’intensitats diferencials-residuals de 30 mA com a màxim, tot i que es poden instal·lar altres diferencials d’intensitat superior a 30 mA en sèrie, sempre que es compleixi el requisit anterior.