Per què la connexió neutre-terra sovint és la causa oculta de les desconnexions dels DDR en tallers fora de la xarxa?

Introducció a la posada a terra d’instal·lacions elèctriques fora de la xarxa

En edificis connectats habitualment a la xarxa elèctrica, la posada a terra i la protecció de la seguretat elèctrica les gestionen el proveïdor de servei públic i els estrictes codis locals d’edificació. Els dispositius de seguretat, com ara els dispositius de corrent residual (DDR) o els interruptors de circuit de fuga a terra (GFCI), funcionen de manera fiable perquè la xarxa elèctrica pública té una connexió sòlida i establerta entre el conductor neutre i la terra.

No obstant això, quan els enginyers muntaven un taller fora de la xarxa, un vehicle de servei mòbil o una estació elèctrica remota, el sistema ha d’establir la seva pròpia referència de messa a terra. En aquests entorns, els tècnics solen trobar-se amb un problema molt confús: els DDR (dispositius diferencials residual) del quadre de distribució es disparen de forma aleatòria, o es disparen immediatament en engegar qualsevol aparell, fins i tot quan no hi ha cap defecte real en la instal·lació elèctrica ni cap defecte d’aïllament. Aquest problema està gairebé sempre relacionat amb la configuració de la connexió neutre-terra (N-T).

Aquest article ofereix una anàlisi tècnica del perquè la connexió neutre-terra (N-T) és la causa oculta del disparo dels DDR i com cal configurar els sistemes de messa a terra per garantir operacions fora de la xarxa segures i fiables.

Pregunta: Per què la connexió neutre-terra (N-T) fa que els dispositius diferencials residuals (DDR) es disparin en les instal·lacions de tallers fora de la xarxa, i quina és la configuració adequada?

La desconnexió del DDR en tallers fora de la xarxa es produeix perquè, sense una connexió adequada entre neutre i terra (N-T) a la font d’alimentació, la sortida CA de l’inversor funciona com un sistema de neutre flotant. Quan es connecta una càrrega, aquest sistema flotant impedeix que el DDR establiï un marc de referència de corrent zero, provocant desequilibris de corrent o camins de fuga que fan que el dispositiu es desconnecti. Alternativament, la doble connexió (connexió entre neutre i terra tant a l’inversor com al quadre de distribució) crea un camí paral·lel de retorn de corrent que divideix el corrent neutre, forçant-ne el pas per la conductora de terra i desconnectant immediatament el DDR. Per resoldre aquest problema, els enginyers han d’implementar un únic punt dinàmic de connexió N-T mitjançant els relés automàtics d’interruptor sec integrats als inversors JYINS.

La física del funcionament del DDR

Per entendre el problema de disparo, primer hem de revisar com funciona un DDR. Un DDR és un sensor extremadament sensible de corrent diferencial. Controla el corrent altern que circula pel conductor de fase (L) i el que torna pel conductor neutre (N).

En un circuit monofàsic en bon estat, el corrent que surt pel fil de fase ha d’ésser exactament igual al corrent que torna pel fil neutre. El DDR utilitza un transformador de corrent toroidal per comparar aquests dos corrents.

Si es produeix una fallada (per exemple, un cable malmès que toca la carcassa metàl·lica d’una eina), una part del corrent es filtrarà a través de la carcassa metàl·lica i del fil verd de terra (massa) cap a la terra, evitant així el fil neutre. El DDR detecta aquesta diferència entre els corrents de fase i neutre. Si la diferència (el corrent de fuga residual) supera un llindar de seguretat —normalment 30 miliamperes (mA)—, la bobina magnètica interna del DDR acciona els seus contactes mecànics, tallant l’alimentació en menys de 30 mil·lisegons per evitar electrocucions.

El dilema de la neutra flotant

La majoria d'invertidors de potència autònoms s'envien des de l'fàbrica amb una sortida de 'neutra flotant'. Això vol dir que el circuit intern de sortida CA està completament aïllat del xassís metàl·lic de l'inversor i del terminal de terra. Si mesureu la tensió entre fase i neutre, veureu una tensió CA correcta de 230 V. No obstant això, si mesureu la tensió entre neutre i terra, veureu una tensió flotant aleatòria (sovint d'aproximadament 115 V CA).

En un sistema flotant, no hi ha cap connexió física entre el neutre i la terra. Si es produeix un defecte d’aïllament en una eina connectada, el corrent no pot tornar al terminal neutre de l’inversor mitjançant el camí de terra perquè el circuit està obert. Com que cap corrent de fuga pot circular per la conductura de terra, no hi ha cap diferència de corrent entre els conductors de fase i neutre que passen pel DDR. Com a resultat, el DDR no dispararà durant una falla activa a terra, creant un perill letal de seguretat en què la carcassa metàl·lica de l’eina roman energitzada.

Per contra, si un sistema aïllat de la xarxa té un neutre flotant i experimenta una lleugera acoblament capacitatiu (comun en recorreguts de cable llargs o motors d’inducció pesats), el DDR pot patir desplaçaments de fase ràpids i imprevisibles del corrent. El transformador de corrent del DDR detecta aquests desplaçaments de fase com un desequilibri i dispara de forma aleatòria. Aquest és la primera forma de disparos intempestius relacionats amb la connexió N-T.

La trampa de la doble connexió

Per resoldre el problema del neutre flotant, els electricistes solen instal·lar un cable de coure sòlid entre la barra neutra i la barra de terra al quadre principal de distribució del taller. Això s’anomena connexió neutra-terra (N-G), que replica les configuracions habituals de la xarxa elèctrica pública.

Tanmateix, es produeix un conflicte greu quan l’inversor fora de xarxa també té activada la seva pròpia connexió interna N-G, o quan el taller està configurat per commutar entre l’alimentació de l’inversor i una connexió externa a un generador o a una font d’alimentació de costat (shore power). Això crea una situació de doble connexió.

En un sistema amb doble connexió hi ha dos punts físics on el neutre es connecta a la terra: un a l’inversor/origen i un altre al quadre de distribució. Quan es connecta un aparell, el corrent de retorn circula per la línia neutra fins a la barra neutra del quadre de distribució. En aquesta barra, el corrent troba dues vies paral·leles per tornar al terminal neutre de l’inversor:

• Camí A: El cable neutre CA específic.
• Camí B: El cable de terra i les canalitzacions metàl·liques.

Com que el corrent es divideix en proporció a la resistència dels camins en paral·lel, una part substancial del corrent nominal de funcionament (que pot ser diversos amperes) circularà per la línia de terra en lloc de per la línia neutra.

Com que el corrent que torna per la línia neutra és ara significativament inferior al corrent que surt per la línia activa, el DDR del quadre de distribució detecta instantàniament un desequilibri important de corrent (molt superior al llindar de 30 mA) i salta en el moment en què es connecta la càrrega. Aquesta és la segona forma d’actuació del DDR relacionada amb la connexió Neutre-Terra.

Solucions pràctiques de posada a terra per a sistemes aïllats de la xarxa

Per garantir tant la seguretat elèctrica com el funcionament fiable del DDR, els enginyers han d’observar la regla de la connexió única: ha d’existir exactament una connexió entre neutre i terra activa en el sistema en qualsevol moment, i ha d’estar situada a la font d’alimentació activa.

Per assolir això en aplicacions aïllades dinàmiques B2B, els integradors de sistemes haurien d’emprar les estratègies següents:

• 1. Desplegar relés dinàmics neutre-terra

Invertidors d’alta prestació per a xarxes aïllades, com la sèrie programable JYINS, estan dissenyats amb un relé automàtic integrat de neutre a terra.

• Quan l’inversor funciona en mode autònom amb bateries, el relé intern es tanca automàticament, establint una connexió sòlida entre neutre i terra dins de l’inversor. Això assegura que el DDR del quadre de l’oficina tingui una referència de terra fiable i es dispari correctament durant una veritable fallada a terra.
• Quan el sistema passa al mode de derivació (per exemple, quan es posa en marxa un generador dièsel de reserva o es connecta l’alimentació de la xarxa), el relé intern de l’inversor obre immediatament la seva connexió neutre-terra. Això és degut al fet que el generador o la xarxa elèctrica ja disposen de la seva pròpia connexió neutre-terra. En obrir el seu relé intern, l’inversor JYINS evita un conflicte de doble connexió, assegurant que el DDR no es dispari mai durant la transició a mode de derivació.
• 2. Implementar la topologia de messa a terra del sistema correcta

Assegureu-vos que tots els xassís d'equipament metàl·lic, les estructures de suport dels panells fotovoltaics, l'enclosa de la bateria i els terminals de terra de l'inversor estiguin connectats a una única barra de terra d'alta conductivitat. Aquesta barra ha d'estar connectada a una barra de terra física (electrode) amb una resistència de terra mesurada inferior a 25 ohms (idealment inferior a 10 ohms).

• 3. Verifiqueu la ubicació del DDR

Instal·leu sempre el DDR a valle del punt únic de connexió N-T. Si es connecta un DDR a muntanya del punt de connexió, es dispararà contínuament perquè el corrent de connexió passarà per sobre del transformador de detecció del DDR.

Conclusió

La connexió entre neutre i terra (N-T) és un requisit elèctric fonamental per a la seguretat, però la seva configuració incorrecta és la causa oculta principal de les desconexions misterioses dels DDR en tallers fora de la xarxa. Un sistema de neutre flotant inhabilita la protecció del DDR, mentre que una doble connexió fa que el corrent del neutre es divideixi per les cables de terra, provocant desconexions intempestives immediates. Aplicant la regla de la connexió en un sol punt i utilitzant inversors JYINS avançats amb relés integrats i automàtics de connexió N-T, els integradors de sistemes poden garantir una protecció de seguretat totalment conforme i eliminar completament les desconexions intempestives dels DDR en qualsevol entorn industrial fora de la xarxa o mòbil.