ESTEBAN DOMINGUEZ GONZALEZ SECO
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UNIVERSIDAD POLITÉCNICA DE MADRID ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE ARQUITECTURA DEPARTAMENTO DE CONSTRUCCIÓN Y TECNOLOGÍAS ARQUITECTÓNICAS ANÁLISIS DE LA INFLUENCIA DEL RÉGIMEN DE NEUTRO EN LA COMPATIBILIDAD ELECTROMAGNÉTICA EN EDIFICIOS HOSPITALARIOS Y PROPUESTA DE UNA NUEVA TÉCNICA CORRECTORA TESIS DOCTORAL ESTEBAN DOMINGUEZ GONZÁLEZ-SECO MADRID, ESPAÑA DICIEMBRE DE 2014. ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE ARQUITECTURA Tribunal nombrado por el Sr. Rector Magfco. de la Universidad Politécnica de Madrid, el día 24 de noviembre de 2014: Presidente: D. CESAR BEDOYA FRUTOS CATEDRATICO DE UNIVERSIDAD E.T.S. ARQUITECTURA – UNIVERSIDAD POLITECNICA DE MADRID (UPM) Vocal: D. JESUS FEIJO MUÑOZ CATEDRATICO DE UNIVERSIDAD E.T.S. ARQUITECTURA – UNIVERSIDAD DE VALLADOLID (UVA) Vocal: D. FERNANDO DA CASA MARTÍN CATEDRÁTICO DE ESCUELA UNIVERSITARIA. ESCUELA ARQUITECTURA – UNIVERSIDAD DE ALCALÁ (UAH) Vocal: Dña. REYES VIGIL MONTAÑO PROFESORA TITULAR. ESCUELA SUPERIOR POLITÉCNICA – UNIVERSIDAD EUROPEA DE MADRID (UEM) Secretario: Dña. CONSOLACIÓN ACHA ROMÁN PROFESORA TITULAR DE UNIVERSIDAD INTERINA. E.T.S. ARQUITECTURA UNIVERSIDAD POLITECNICA DE MADRID (UPM) Suplente: D. JORGE MARTÍNEZ CRESPO PROFESOR TITULAR DE UNIVERSIDAD. ESCUELA POLITECNICA SUPERIOR – UNIVERSIDAD CARLOS III DE MADRID (UC3M) Suplente: D. JOSE CARLOS TOLEDANO GASCA JUBILADO COMO TÉCNICO DE IBERDROLA. IBERDROLA Realizado el acto de defensa y lectura de la Tesis el día 19 de DICIEMBRE de 2014 en la E.T.S. Arquitectura de Madrid. Calificación ................................................... EL PRESIDENTE LOS VOCALES EL SECRETARIO AGRADECIMIENTOS Me gustaría que estas líneas iniciales del documento sirvieran para expresar mi más sincero agradecimiento a todas aquellas personas que con su ayuda han colaborado en la realización de este estudio. En primer lugar a Javier Álvarez con quien tras años de experiencia profesional en común, colaboraciones y numerosas conversaciones contribuyó de manera decisiva a la temática de la tesis. Especial reconocimiento les debo a los directores de esta investigación, Dra. Raquel Puente y Dr. José Manuel Gómez Pulido, por la orientación, el seguimiento y la supervisión de la misma, pero sobre todo por la motivación y el apoyo recibido a lo largo del tiempo de realización. Quisiera hacer extensiva mi gratitud a mis compañeros de Universidad y de PROMEC, especialmente a Chelo, David y Antonio por sus valiosas aportaciones. Un agradecimiento muy especial merece la comprensión, paciencia y el ánimo recibidos de mi familia Chelo, Jaime, Esteban y Fernando a los que les he privado de un tiempo de difícil recuperación. A todos ellos, muchas gracias. “ANALISIS DE LA INFLUENCIA DEL RÉGIMEN DE NEUTRO EN LA COMPATIBILIDAD ELECTROMAGNÉTICA EN EDIFICIOS HOSPITALARIOS. PROPUESTA DE UNA NUEVA TECNICA CORRECTORA” ÍNDICE ÍNDICE RESUMEN ..................................................................................................................................... 5 ABSTRACT.................................................................................................................................... 6 ÍNDICE DE FIGURAS ................................................................................................................. 7 ÍNDIE DE TABLAS ...................................................................................................................... 9 PARTE I: OBJETIVOS Y JUSTIFICACIÓN DE LA INVESTIGACIÓN ........................... 11 1 CAPÍTULO I. INTRODUCCIÓN ....................................................................................... 13 1.1 JUSTIFICACIÓN DE LA INVESTIGACIÓN 13 1.2 OBJETIVOS 17 1.3 HIPÓTESIS 19 1.4 METODOLOGÍA 21 1.4.1 1.4.2 CONSIDERACIONES GENERALES ................................................................ 21 METODOLOGÍA PARA EL DESARROLLO DE LOS OBJETIVOS .............. 24 PARTE II: ESTADO DEL ARTE .............................................................................................. 31 2 CAPÍTULO 2: CONCEPTO DE RÉGIMEN DE NEUTRO. TIPOLOGÍAS Y CARACTERÍSTICAS FUNDAMENTALES. .......................................................................... 33 2.1 CONCEPTO DE REGIMEN DE NEUTRO. ASPECTOS CONSTRUCTIVOS. 33 2.2 TIPOS DE REGÍMENES DE NEUTRO EN LA ACTUALIDAD 43 2.2.1 SISTEMA TT ...................................................................................................... 45 2.2.2 SISTEMA TN. TN-S y TN-C. ............................................................................. 49 2.2.3 SISTEMA IT....................................................................................................... 53 2.3 COMPARATIVA DE LAS CARÁCTERÍSTICAS FUNDAMENTALES DESDE EL PUNTO DE VISTA ELÉCTRICO 58 3 CAPÍTULO 3: NORMATIVA DE APLICACIÓN RELATIVA AL RÉGIMEN DE NEUTRO. ..................................................................................................................................... 63 3.1 TRATAMIENTO NORMATIVO DE LOS REGÍMENES DE NEUTRO EN ESPAÑA 64 3.1.1 REGLAMENTO ELECTROTÉCNICO PARA BAJA TENSIÓN E INSTRUCCIONES TÉCNICAS COMPLEMENTARIAS ............................................. 64 3.1.2 NORMA UNE-60.634 ......................................................................................... 69 3.1.3 GUÍAS DE DISEÑO DE CARÁCTER AUTONÓMICO Y NORMAS UNE COMPLEMENTARIAS .................................................................................................. 72 1 “ANALISIS DE LA INFLUENCIA DEL RÉGIMEN DE NEUTRO EN LA COMPATIBILIDAD ELECTROMAGNÉTICA EN EDIFICIOS HOSPITALARIOS. PROPUESTA DE UNA NUEVA TECNICA CORRECTORA” ÍNDICE 3.2 TRATAMIENTO NORMATIVO DE LOS REGÍMENES DE NEUTRO EN EL EXTRANJERO 74 3.2.1 NEC (NATIONAL ELECTRICAL CODE) DE ESTADOS UNIDOS ............... 75 3.2.2 NF C 15 100 DE FRANCIA ................................................................................ 77 3.2.3 REGRAS TÉCNICAS DAS INSTALAÇÕES ELÉCTRICAS DE BAIXA TENSÃO DE PORTUGAL ............................................................................................. 81 3.2.4 IEE (INSTITUTE OF ELECTRICAL ENGINEERS) REGULATION 17TH EDITION, BS 7671 DEL REINO UNIDO ...................................................................... 86 3.2.5 IEC 60364: “ELECTRICAL INSTALLATIONS FOR BUILDINGS”............... 91 4 CAPÍTULO 4: INTRODUCCIÓN A LA COMPATIBILIDAD ELECTROMAGNÉTRICA EN ÁMBITOS HOSPITALARIOS. .......................................... 93 4.1 CONCEPTO DE COMPATIBILIDAD ELECTROMAGNÉTICA 93 4.1.1 4.1.2 4.2 CONCEPTOS PRELIMINARES ........................................................................ 93 NORMATIVA DE APLICACIÓN...................................................................... 96 SELECCIÓN DE LOS PARÁMETROS DE SIMULACIÓN 104 PARTE III: ANÁLISIS TEÓRICO – EXPERIMENTAL..................................................... 109 5 CAPÍTULO 5. ANÁLISIS DE LA COMPATIBILIDAD ELECTROMAGNÉTICA EN UN COMPLEJO HOSPITALARIO EN FUNCIÓN DEL TIPO DE RÉGIMEN DE NEUTRO SELECCIONADO. .................................................................................................. 111 5.1 SOFTWARE Y DATOS DE PARTIDA 111 5.1.1 5.1.2 5.2 SOFTWARE SELECCIONADO ...................................................................... 111 DATOS DE PARTIDA ..................................................................................... 113 SIMULACIONES REALIZADAS 114 5.2.1 MODELIZACIÓN ELÉCTRICA DEL HOSPITAL DE BURGOS Y HOSPITAL DE CEUTA. ................................................................................................................... 114 i. Hospital de Ceuta. 116 ii. Hospital de Burgos 117 5.2.2 MODELIZACIÓN ELECTROMAGNÉTICA DE LOS HOSPITALES Y ZONAS EN ESTUDIO ................................................................................................................ 118 PARTE IV: CONCLUSIONES ................................................................................................ 151 6 CAPÍTULO 6: CONCLUSIONES. MEDIDAS PROPUESTAS PARA LA MEJORA DE LA CEM EN EL AMBITO HOSPITALARIO. ...................................................................... 153 6.1 CONCLUSIONES OBTENIDAS. ANÁLISIS DE LOS RESULTADOS. 153 6.2 PROPUESTAS DE MEJORA 6.2.1 6.2.2 PROPUESTA DE NORMA EN EL ÁMBITO ELÉCTRICO. .......................... 160 LÍNEAS FUTURAS DE INVESTIGACIÓN. ................................................... 163 160 2 “ANALISIS DE LA INFLUENCIA DEL RÉGIMEN DE NEUTRO EN LA COMPATIBILIDAD ELECTROMAGNÉTICA EN EDIFICIOS HOSPITALARIOS. PROPUESTA DE UNA NUEVA TECNICA CORRECTORA” ÍNDICE PARTE V: ANEXOS ................................................................................................................. 165 ANEXO I: SISTEMA DE PUESTA A TIERRA DEL HOSPITAL DE BURGOS. ............ 166 I.1 DESCRIPCIÓN DE LA RED DE TIERRAS E INFRAESTRUCTURA ELÉCTRICA A MODELIZAR .............................................................................................................................. 166 I.2. MEDICIÓN RESISTENCIA DE PASO A TIERRA PARA EL MODELO ........................ 168 I.3. CERTIFICADO DE REALIZACIÓN DEL PROYECTO Y DIRECCIÓN DE OBRA ....... 186 I.4 PLANOS BASE PARA LA MODELIZACIÓN .................................................................... 188 ANEXO II: SISTEMA DE PUESTA A TIERRA DEL HOSPITAL UNIVERSITARIO DE CEUTA. ...................................................................................................................................... 202 II.1. DESCRIPCIÓN DE LA RED DE TIERRAS E INFRAESTRUCTURA ELÉCTRICA A MODELIZAR .............................................................................................................................. 202 II.2. MEDICIÓN RESISTENCIA DE PASO A TIERRA PARA EL MODELO ....................... 204 II. 3. CERTIFICADO DE AUTORIZACIÓN DE EMPLEO DE DOCUMENTACIÓN PARA LA TESIS DOCTORAL .................................................................................................................... 207 II.4. PLANOS BASE PARA LA MODELIZACIÓN ................................................................. 208 ANEXO III ................................................................................................................................. 215 III. PROGRAMAS DE SIMULACIÓN ELECTRICA Y ELECTROMAGNÉTICA EMPLEADOS: ETAP y CST. ..................................................................................................... 216 III.1 ETAP ................................................................................................................................... 217 III.2. CST ..................................................................................................................................... 220 III.3. El método FTDT ................................................................................................................. 224 1. Introducción 224 2. Formulación de problemas electromagnéticos. Ecuaciones de Maxwell 224 3. Condiciones de contorno 226 2.4. Diferencias Finitas. Generalidades 228 ANEXO IV. BIBLIOGRAFÍA.................................................................................................. 235 IV. I. REFERENCIAS ................................................................................................................. 236 IV.2 ARTÍCULOS ....................................................................................................................... 239 IV.3 SOFTWARE: ...................................................................................................................... 242 3 “ANALISIS DE LA INFLUENCIA DEL RÉGIMEN DE NEUTRO EN LA COMPATIBILIDAD ELECTROMAGNÉTICA EN EDIFICIOS HOSPITALARIOS. PROPUESTA DE UNA NUEVA TECNICA CORRECTORA” ÍNDICE 4 “ANALISIS DE LA INFLUENCIA DEL RÉGIMEN DE NEUTRO EN LA COMPATIBILIDAD ELECTROMAGNÉTICA EN EDIFICIOS HOSPITALARIOS. PROPUESTA DE UNA NUEVA TECNICA CORRECTORA” ÍNDICE RESUMEN La presente tesis aborda el estudio de los distintos regímenes de neutro de las instalaciones de baja tensión, comúnmente llamados sistemas de puesta a tierra, desde un doble punto de vista, con el objetivo final de establecer un estándar justificado para un posterior desarrollo normativo, y de diseño que facilite la operación y funcionamiento de la instalación eléctrica y de comunicaciones en los sistemas hospitalarios. En una primera parte de la tesis se detallará que aunque hay muchos estudios teóricoprácticos sobre la elección del régimen de neutro en base a criterios operativos y puramente eléctricos, criterios como seguridad frente a accidentes eléctricos, o en términos de disponibilidad, mantenimiento o fiabilidad, esas recomendaciones no se han trasladado de manera directa a la legislación española salvo en el caso de Salas de Intervención donde se obliga a un sistema IT. Por eso se justificará como una primera técnica correctora de un inadecuado funcionamiento electromagnético en Hospitales el establecer una propuesta de marco normativo donde se fijen los tipos de puesta a tierra en función del uso y tipología del edificio desde un punto de vista eléctrico Por otra parte, la influencia de los distintos regímenes de neutro en la transmisión de señales (compatibilidad magnética) no ha sido estudiada en toda su profundidad, no existiendo ni marco normativo obligado ni estudios en profundidad sobre estas afecciones. Por tanto y en una segunda parte de la tesis se propondrá como medida correctora para mejorar el funcionamiento electromagnético de un hospital qué el régimen de neutro TNS es más respetuoso con el funcionamiento de los equipos de electromedicina que alberga en su interior, estableciendo así mismo una propuesta de norma que regule este diseño. En definitiva se justifica que es posible generar por diseño inicial de la red eléctrica, mediante un régimen de neutro TN-S, un contexto electromagnético óptimo para el funcionamiento del sistema hospitalario que no se logra con otras opciones contempladas en la normativa española. 5 “ANALISIS DE LA INFLUENCIA DEL RÉGIMEN DE NEUTRO EN LA COMPATIBILIDAD ELECTROMAGNÉTICA EN EDIFICIOS HOSPITALARIOS. PROPUESTA DE UNA NUEVA TECNICA CORRECTORA” ÍNDICE ABSTRACT This thesis deals with the study of various ground grid systems of low voltage installations, commonly called grounding systems, from two points of view, with the ultimate goal of establishing a standard justified from a policy perspective and design to facilitate the operation and functioning of the electrical system and hospital communications systems. In the first part of the thesis will be detailed that although there are many theoretical and practical studies on the choice of the neutral system based on operational criteria and purely electric, criteria such as safety against electrical accidents, or in terms of availability, maintenance and reliability, these recommendations have not been transferred directly to the Spanish legislation except in Intervention Rooms where a IT system is required. So be justified as a first corrective technique improper operation electromagnetic Hospitals proposal to establish a regulatory framework where ground types depending on the use and type of building are set from an electrical point of view . Moreover, the influence of the different regimes neutral signaling (magnetic compatibility) has not been studied in any depth, there being neither forced nor depth studies on these conditions regulatory framework. Thus in a second part of the thesis will be justified as a corrective measure to improve the electromagnetic performance of a hospital which the neutral TN-S is more respectful of the performance of medical electrical equipment housed in its interior, thus establishing same a proposed rule governing this design. Ultimately it is possible to generate justified by initial design of the grid, using a neutral system TN-S, electromagnetic optimal context for the operation of the hospital system is not achieved with other legal options in Spain. 6 “ANALISIS DE LA INFLUENCIA DEL RÉGIMEN DE NEUTRO EN LA COMPATIBILIDAD ELECTROMAGNÉTICA EN EDIFICIOS HOSPITALARIOS. PROPUESTA DE UNA NUEVA TECNICA CORRECTORA” ÍNDICE ÍNDICE DE FIGURAS FIGURA 1-1. PRUEBA POTENCIALES EVOCADOS. [FUENTE WWW.UNED.ES]............................................... 20 FIGURA 1-2. DESARROLLO NORMATIVO CEM. [FUENTE NORMA IEC 60601] .............................................. 22 FIGURA 1-3. FOTO NUEVO HOSPITAL UNIVERSITARIO DE BURGOS Y HOSPITAL UNIVERSITARIO DE CEUTA. [FUENTE: ESTUDIO INGLADA-ARÉVALO ARQUITECTOS]...................................................................... 23 FIGURA 1-4. LOGO PROGRAMA DE CÁLCULO EMPLEADO Y OUTPUTS TIPO. [FUENTE: HTTP://ETAP.COM] ............................................................................................................................................................. 28 FIGURA 1-5. LOGO PROGRAMA DE CÁLCULO EMPLEADO Y OUTPUTS TIPO. FUENTE: HTTPS://WWW.CST.COM .................................................................................................................... 29 FIGURA 2-1. ESQUEMA TIPO DE PUESTA A TIERRA. FUENTE: PLIEGO DE CONDICIONES HOSPITAL DE BURGOS ............................................................................................................................................... 36 FIGURA 2-2. RED DE PUESTA A TIERRA DE PROTECCIÓN ALTA TENSIÓN. FUENTE: ELABORACIÓN PROPIA (HOSPITAL DE BURGOS) ....................................................................................................................... 37 FIGURA 2-3. RED DE PUESTA A TIERRA DE LA ESTRUCTURA DEL EDIFICIO. EJECUCIÓN. FUENTE: ELABORACIÓN PROPIA (HOSPITAL DE BURGOS) ................................................................................. 39 FIGURA 2-4. RED DE PUESTA A TIERRA DE LA ESTRUCTURA DEL EDIFICIO. REPLANTEO. FUENTE: ELABORACIÓN PROPIA (HOSPITAL DE BURGOS) ................................................................................. 39 FIGURA 2-5. ELECTRODOS DE PUESTA A TIERRA PARA COMUNICACIONES. FUENTE: ELABORACIÓN PROPIA (HOSPITAL DE BURGOS) ....................................................................................................................... 40 FIGURA 2-6. ESQUEMA SIMPLIFICADO DE DISTRIBUCIÓN TIPO TT. FUENTE: REBT EN SU ITC BT 08 ........... 45 FIGURA 2-7. ESQUEMA FUNCIONAL DE DISTRIBUCIÓN TIPO TT. FUENTE: ELABORACIÓN PROPIA EN PROMEC S.A. ........................................................................................................................................ 48 FIGURA 2-8. ESQUEMA SIMPLIFICADO DE DISTRIBUCIÓN TIPO TN-S Y TN-C. FUENTE: REBT EN SU ITC BT 08 ............................................................................................................................................................. 49 FIGURA 2-9. ESQUEMA FUNCIONAL DE DISTRIBUCIÓN TIPO TN-S. FUENTE: ELABORACIÓN PROPIA EN PROMEC S.A. ........................................................................................................................................ 52 FIGURA 2-10. ESQUEMA SIMPLIFICADO DE DISTRIBUCIÓN TIPO IT. FUENTE: REBT EN SU ITC BT 08 .......... 53 FIGURA 2-11. CUADRO CON VIGILANTES DE AISLAMIENTO Y TRANSFORMADORES DE AISLAMIENTO PARA UVI. FUENTE: ELABORACIÓN PROPIA (HOSPITAL DE BURGOS) ........................................................... 55 FIGURA 2-12. REDES EQUIPOTENCIALES EN QUIRÓFANO PARA SISTEMA TIPO IT. FUENTE: ELABORACIÓN PROPIA (HOSPITAL DE BURGOS) .......................................................................................................... 56 FIGURA 2-13. ESQUEMA FUNCIONAL DE DISTRIBUCIÓN TIPO IT. FUENTE: ELABORACIÓN PROPIA EN PROMEC S.A. ........................................................................................................................................ 57 FIGURA 4-1. ESQUEMA ANÁLISIS INTERFERENCIAS ...................................................................................... 94 FIGURA 4-2. ESQUEMA FUNCIONAL DEL LABORATORIO DE COMPATIBILIDAD ELECTROMAGNÉTICA Y ANTENAS DEL INSTITUTO DE INGENIERÍA DEL F2I2. [FUENTE: F2I2.] .................................................. 97 FIGURA 4-3. EQUIPO DE ASISTENCIA VITAL – RESPIRADOR MECÁNICO. FUENTE: HTTP://THR.EN.ALIBABA.COM .......................................................................................................... 106 FIGURA 5-1. ESQUEMA DE SIMULACIÓN DEL CT1 CORRESPONDIENTE AL HOSPITAL DE CEUTA ............... 114 FIGURA 5-2. ESQUEMA DE SIMULACIÓN DEL CT1 CORRESPONDIENTE AL HOSPITAL DE BURGOS ............ 115 FIGURA 5-3. INTENSIDADES DEL CT1 CORRESPONDIENTE AL HOSPITAL DE CEUTA ................................... 116 FIGURA 5-4. INTENSIDADES DEL NEUTRO PARA EL CT1 CORRESPONDIENTE AL HOSPITAL DE CEUTA ...... 116 FIGURA 5-5. INTENSIDADES EN LAS CARGAS .............................................................................................. 117 FIGURA 5-6. INTENSIDADES EN LAS CARGAS TRANSFORMADOR ............................................................... 117 FIGURA 5-7. INTENSIDADES EN NEUTRO TRANSFORMADOR 1 .................................................................. 118 FIGURA 5-8. ENTORNO DE SIMULACIÓN ELECTROMAGNÉTICA CST........................................................... 120 FIGURA 5-9. ENTRADA DATOS PARA EL CABLEADO .................................................................................... 120 FIGURA 5-10. MODELO 3D SIMPLIFICADO DEL VOLUMEN BAJO ESTUDIO ................................................. 121 FIGURA 5-11. ESQUEMA DEL CABLEADO UTILIZADO .................................................................................. 121 FIGURA 5-12. GEOMETRÍA DE LA BANDEJA METÁLICA ............................................................................... 122 FIGURA 5-13. ESQUEMA DE REPARTO DE CABLES EN LA BANDEJA ............................................................ 122 FIGURA 5-14. MODELADO 3D SIMPLIFICADO ............................................................................................. 123 7 “ANALISIS DE LA INFLUENCIA DEL RÉGIMEN DE NEUTRO EN LA COMPATIBILIDAD ELECTROMAGNÉTICA EN EDIFICIOS HOSPITALARIOS. PROPUESTA DE UNA NUEVA TECNICA CORRECTORA” ÍNDICE FIGURA 5-15. EJEMPLOS DE SECCIÓN DE MALLADO DEL CABLEADO ......................................................... 123 FIGURA 5-16. MODELADO CON CABLE CON EL PROGRAMA CST ................................................................ 124 FIGURA 5-17. ESQUEMA DE MODELIZACIÓN SIMPLIFICADO POR TRAMO EN EL HOSPITAL DE CEUTA ..... 125 FIGURA 5-18. ESQUEMA DE MODELIZACIÓN SIMPLIFICADO POR TRAMO EN EL HOSPITAL DE BURGOS .. 125 FIGURA 5-19. CORRIENTE POR EL NEUTRO, MODO TT ............................................................................... 127 FIGURA 5-20. CORRIENTE POR EL NEUTRO, MODO TN-S ........................................................................... 127 FIGURA 5-21. CORRIENTE POR EL NEUTRO, MODO TT ............................................................................... 128 FIGURA 5-22. CORRIENTE POR EL NEUTRO, MODO TN-S ........................................................................... 128 FIGURA 5-23. ESQUEMA DE LOS PLANOS DE SIMULACIÓN ELECTROMAGNÉTICA A VISUALIZAR .............. 130 FIGURA 5-24. VISTA 3D DEL PLANO DE MEDIDA 1 ...................................................................................... 130 FIGURA 5-25. PLANO XY, Z=-5, CAMPO ELÉCTRICO, MODO TT ................................................................... 132 FIGURA 5-26. PLANO XY, Z=-5, CAMPO ELÉCTRICO, MODO TN-S ............................................................... 132 FIGURA 5-27. PLANO XY, Z=-5, CAMPO MAGNÉTICO, MODO TT ................................................................ 133 FIGURA 5-28. PLANO XY, Z=-5, CAMPO MAGNÉTICO, MODO TN-S ............................................................ 133 FIGURA 5-29. CORTE EN PLANO A EVALUAR ............................................................................................. 134 FIGURA 5-30. CORTE PARA X=-6055, Z=-5 (A MITAD DE REJILLA), COMPARACIÓN DE CAMPO ELÉCTRICO ENTRE AMBOS MODOS...................................................................................................................... 134 FIGURA 5-31. CORTE PARA X=-6055, Z=-5 (A MITAD DE REJILLA), COMPARACIÓN DE CAMPO MAGNÉTICO ENTRE AMBOS MODOS...................................................................................................................... 134 FIGURA 5-32. VISTA 3D DEL PLANO DE MEDIDA 2 ...................................................................................... 135 FIGURA 5-33. PLANO ZY, X=-6055, CAMPO ELÉCTRICO, MODO TT............................................................. 136 FIGURA 5-34. PLANO ZY, X=-6055, CAMPO ELÉCTRICO, MODO TN-S ......................................................... 136 FIGURA 5-35. PLANO ZY, X=-6055, CAMPO MAGNÉTICO, MODO TT .......................................................... 137 FIGURA 5-36. PLANO ZY, X=-6055, CAMPO MAGNÉTICO, MODO TN-S ...................................................... 137 FIGURA 5-37. VISTA 3D DEL PLANO DE MEDIDA 3 ...................................................................................... 138 FIGURA 5-38. PLANO ZY, X=7000, CAMPO ELÉCTRICO, MODO TT .............................................................. 138 FIGURA 5-39. PLANO ZY, X=7000, CAMPO ELÉCTRICO, MODO TN-S .......................................................... 138 FIGURA 5-40. PLANO ZY, X=7000, CAMPO MAGNÉTICO, MODO TT ........................................................... 139 FIGURA 5-41. PLANO ZY, X=7000, CAMPO MAGNÉTICO, MODO TN-S ....................................................... 139 FIGURA 5-42. SUPERFICIE DEL RECINTO, CAMPO ELÉCTRICO, MODO TT ................................................... 140 FIGURA 5-43. SUPERFICIE DEL RECINTO, CAMPO ELÉCTRICO, MODO TN-S ............................................... 140 FIGURA 5-44. SUPERFICIE DEL RECINTO, CAMPO MAGNÉTICO, MODO TT ................................................ 141 FIGURA 5-45. SUPERFICIE DEL RECINTO, CAMPO MAGNÉTICO, MODO TN-S............................................. 141 FIGURA 5-46. ESQUEMA DEL CABLEADO UTILIZADO .................................................................................. 142 FIGURA 5-47. ENTRADA DATOS DE CABLEADO DE COMUNICACIONES EN EL PROGRAMA CST ................. 142 FIGURA 5-48. CARACTERIZACIÓN DEL CABLEADO ...................................................................................... 143 FIGURA 5-49. MODELADO DE CANALETA DE COMUNICACIONES EN EL PROGRAMA CST ......................... 143 FIGURA 5-50. ESPACIADO INCORPORADO PARA EL MODELADO ENTRE SERVICIOS ELÉCTRICOS Y DE COMUNICACIONES. FUENTE: UNE HD 60364-4-444:2013 ................................................................ 144 FIGURA 5-51. SECCIÓN TRANSVERSAL DE LA CANALETA SIMULADA .......................................................... 145 FIGURA 5-52. SEPARACIÓN ENTRE EL CABLE DE TELECOMUNICACIONES Y LA BANDEJA CON EL CABLEADO ELÉCTRICO.......................................................................................................................................... 145 FIGURA 5-53. MODELADO DEL SERVICIO DE COMUNICACIONES HASTA SU ENTRONQUE CON LA ENVOLVENTE DEL EQUIPO ................................................................................................................. 145 FIGURA 5-54. ESQUEMÁTICO DEL CONECTOR DE COMUNICACIONES ....................................................... 146 FIGURA 5-55. ESQUEMA DE MODELIZACIÓN SIMPLIFICADO EN EL TRAMO DE CUADRO SECUNDARIO A EQUIPO ELECTRO MÉDICO EN EL HOSPITAL DE CEUTA EN ESQUEMA TT ......................................... 146 FIGURA 5-56. CORRIENTES QUE CIRCULAN POR EL CABLE DE COMUNICACIONES, CIRCUITO DESEQUILIBRADO .............................................................................................................................. 147 FIGURA 5-57. CORRIENTES QUE CIRCULAN POR EL CABLE DE COMUNICACIONES, CIRCUITO EQUILIBRADO ........................................................................................................................................................... 147 FIGURA 5-58. CAMPO ELÉCTRICO (V/M) OBTENIDO EN AMBOS SISTEMAS EN EL CABLEADO DE COMUNICACIONES ............................................................................................................................ 148 FIGURA 5-59. CAMPO ELÉCTRICO (A/M) OBTENIDO EN AMBOS SISTEMAS EN EL CABLEADO DE COMUNICACIONES ............................................................................................................................ 149 8 “ANALISIS DE LA INFLUENCIA DEL RÉGIMEN DE NEUTRO EN LA COMPATIBILIDAD ELECTROMAGNÉTICA EN EDIFICIOS HOSPITALARIOS. PROPUESTA DE UNA NUEVA TECNICA CORRECTORA” ÍNDICE ÍNDICE DE TABLAS TABLA 3-1 – RESUMEN UNE-EN 50310. ........................................................................................................ 73 TABLA 3-2 RESUMEN SECCIÓN 707 REGRAS TÉCNICAS DAS INSTALAÇÕES ELÉCTRICAS DE BAIXA TENSÃO DE PORTUGAL ........................................................................................................................................... 83 TABLA 3-3 RESUMEN 801.2.4.2 REGRAS TÉCNICAS DAS INSTALAÇÕES ELÉCTRICAS DE BAIXA TENSÃO DE PORTUGAL ........................................................................................................................................... 85 TABLA 3-4. RESUMEN ITC-BT-24 TIEMPOS DESCONEXIÓN PARA ESQUEMAS TN ........................................ 86 TABLA 3-5. RESUMEN BS 7671 (411.3.2.2) TIEMPOS DESCONEXIÓN SISTEMAS EN FUNCIÓN RÉGIMEN DE NEUTRO ............................................................................................................................................... 87 TABLA 3-6. RESUMEN BS 7671 SOBRE PROTECCIÓN CON FUSIBLES BAJO SISTEMAS TN............................. 88 TABLA 3-7. RESUMEN BS 7671 SOBRE PROTECCIÓN CON AUTOMÁTICOS BAJO SISTEMAS TN ................... 89 TABLA 3-8. RESUMEN BS 7671 SOBRE PROTECCIÓN CON FUSIBLES BAJO SISTEMAS TN ............................ 89 TABLA 4-1. RESPUESTA DE CADA PAÍS COMUNITARIO A LAS RECOMENDACIONES DE LA DIRECTIVA 1999/519/CE (CE, 1999A). FUENTE: TESIS DOCTORAL SOBRE SEGURIDAD ELECTROMAGNÉTICA EN TELEMEDICINA DE DÑA. VICTORIA RAMOS GONZÁLEZ (REF. [17]). .................................................... 99 TABLA 4-2. RESPUESTA DE CADA PAÍS COMUNITARIO A LAS RECOMENDACIONES DE LA DIRECTIVA 1999/519/CE (CE, 1999A). FUENTE: TESIS DOCTORAL SOBRE SEGURIDAD ELECTROMAGNÉTICA EN TELEMEDICINA DE DÑA. VICTORIA RAMOS GONZÁLEZ (REF. [17]). .................................................. 100 TABLA 4-3 TABLA ENSAYOS DEL FABRICANTE SOBRE INMUNIDAD ELECTROMAGNÉTICA. FUENTE: NORMA UNE-EN 60601-1-2:2008 .................................................................................................................... 104 TABLA 6-1. NIVELES MEDIOS DE EXPOSICIÓN A CAMPOS DE 50 HZ GENERADOS POR LAS LÍNEAS DE DISTRIBUCIÓN ELÉCTRICA. FUENTE: O.M.S. ...................................................................................... 156 TABLA 6-2. NIVELES MEDIOS DE EXPOSICIÓN A CAMPOS DE 50 HZ GENERADOS POR LAS LÍNEAS DE DISTRIBUCIÓN ELÉCTRICA. FUENTE: ICNIRP, CEM GUIDELINES, HEALTH PHYSICS 74, 494-522 (1998) ........................................................................................................................................................... 157 TABLA 6-3. RESUMEN DE LA TABLA DE ENSAYOS DEL FABRICANTE SOBRE INMUNIDAD ELECTROMAGNÉTICA. FUENTE: NORMA UNE-EN 60601-1-2:2008 ................................................... 158 TABLA 6-4. NIVELES MEDIOS DE EXPOSICIÓN A CAMPOS DE 50 HZ GENERADOS POR LAS LÍNEAS DE DISTRIBUCIÓN ELÉCTRICA. FUENTE: ICNIRP, CEM GUIDELINES, HEALTH PHYSICS 74, 494-522 (1998) ........................................................................................................................................................... 158 TABLA 6-5. ESQUEMAS DE DISTRIBUCIÓN DEL NEUTRO EN FUNCIÓN DEL TIPO DE INSTALACIÓN. .......... 162 9 “ANALISIS DE LA INFLUENCIA DEL RÉGIMEN DE NEUTRO EN LA COMPATIBILIDAD ELECTROMAGNÉTICA EN EDIFICIOS HOSPITALARIOS. PROPUESTA DE UNA NUEVA TECNICA CORRECTORA” ÍNDICE 10 “ANALISIS DE LA INFLUENCIA DEL RÉGIMEN DE NEUTRO EN LA COMPATIBILIDAD ELECTROMAGNÉTICA EN EDIFICIOS HOSPITALARIOS. PROPUESTA DE UNA NUEVA TECNICA CORRECTORA” PARTE I. OBJETIVOS Y JUSTIFICACIÓN DE LA INVESTIGACIÓN PARTE I: OBJETIVOS Y JUSTIFICACIÓN DE LA INVESTIGACIÓN 11 “ANALISIS DE LA INFLUENCIA DEL RÉGIMEN DE NEUTRO EN LA COMPATIBILIDAD ELECTROMAGNÉTICA EN EDIFICIOS HOSPITALARIOS. PROPUESTA DE UNA NUEVA TECNICA CORRECTORA” PARTE I. OBJETIVOS Y JUSTIFICACIÓN DE LA INVESTIGACIÓN 12 “ANALISIS DE LA INFLUENCIA DEL RÉGIMEN DE NEUTRO EN LA COMPATIBILIDAD ELECTROMAGNÉTICA EN EDIFICIOS HOSPITALARIOS. PROPUESTA DE UNA NUEVA TECNICA CORRECTORA” PARTE I. OBJETIVOS Y JUSTIFICACIÓN DE LA INVESTIGACIÓN 1 CAPÍTULO I. INTRODUCCIÓN 1.1 JUSTIFICACIÓN DE LA INVESTIGACIÓN Desde los inicios en el uso de la electricidad a finales del siglo XIX hasta nuestros días, el riesgo eléctrico en los distintos tipos de instalaciones ha quedado siempre patente. Señalamos a continuación algunos ejemplos de los hitos históricos en la evolución de la tecnología eléctrica, así como los riesgos eléctricos evidenciados en el uso de la electricidad: - Aunque Tales de Mileto ya en el siglo VI a.c. describía el fenómeno de la electricidad estática fue Otto von Guericke en el siglo XVII quien inventa la primera máquina electrostática, que si bien era un hito tecnológico empleado en parte para distracción de la comunidad científica, avanzaba que los campos electrostáticos no contralados podrían ser perjudiciales para el usuario o gente del entorno. - En esa línea Luigi Galvani en el siglo XVIII empleó corriente eléctrica para alimentar la médula espinal de una rana provocando contracciones musculares en animal e incluso movimientos equivalentes al salto de una rana viva. Las primeras consecuencias fisiológicas del empleo de la electricidad en seres vivos empezaban a ser conocidas. - A este primer descubrimiento le suceden en el tiempo la creación de la pila generadora de electricidad (Alessandro Volta en 1796) y el arco voltaico alimentado por un conjunto de pilas en serie (Sir Humphrey Davy en 1813). - En el siglo XIX Zenobe Theoplile Gramme inventa la famosa dinamo (la dinamo Gramme) o generador de corriente continua (1869) que es uno de los impulsos definitivos para el uso y desarrollo de la electricidad en el ámbito industrial y doméstico. - En la exposición Internacional de Frankfurt de 1891 se demuestra por primera vez como el transporte de energía eléctrica a grandes distancias era optimizable mediante el empleo de corriente alterna. Para ello se conecta un transformador que elevaba la tensión de 100 V hasta 33 kV para luego con otro equipo análogo 13 “ANALISIS DE LA INFLUENCIA DEL RÉGIMEN DE NEUTRO EN LA COMPATIBILIDAD ELECTROMAGNÉTICA EN EDIFICIOS HOSPITALARIOS. PROPUESTA DE UNA NUEVA TECNICA CORRECTORA” PARTE I. OBJETIVOS Y JUSTIFICACIÓN DE LA INVESTIGACIÓN rebajarlo a los 100 V de partida. De un primer desarrollo de 7 km se amplía la prueba a un recorrido cercano a los 180 km. Era el comienzo del desarrollo eléctrico y de la cercanía a las personas y usuarios con todas sus ventajas e inconvenientes. Así, al final del siglo XIX quedaba claro para la comunidad científica en general que la corriente eléctrica es peligrosa para las personas si su distribución y uso no es adecuado. Es en este contexto donde surgen los primeros estudios sobre la conexión a tierra (regímenes de neutro) de las instalaciones y la interacción usuario red tanto en funcionamiento normal como ante eventualidades de aislamiento del sistema. Los regímenes de neutro son el resultado de una larga evolución en busca de la mejor protección de las personas. Estas redes iniciales normalmente transportaban corriente alterna al usuario a 110 V. Desde finales del siglo XIX y en las primeras décadas del siglo XX ningún punto de la red se ponía a tierra. Tanto las líneas de distribución (normalmente en cobre o aluminio desnudo) como los elementos metálicos auxiliares eran soportadas por elementos aislantes (aisladores) pero ningún punto del sistema estaba voluntariamente puesto a tierra. Es decir se puede afirmar que el primer régimen de neutro empleado en el sistema eléctrico es el de NEUTRO AISLADO. En estas primeras etapas de desarrollo eléctrico hay accidentes eléctricos, especialmente por contacto directo, pero dados los bajos niveles de tensión son poco frecuentes y poco peligrosos para el usuario. No obstante ya en 1923, en Francia, aparece una primera norma relativa a las instalaciones eléctricas que impone la puesta a tierra de las masas metálicas. Aunque la norma trata básicamente sobre condiciones de la instalación interior y montaje eléctrico de los receptores más habituales no da ninguna indicación sobre cómo hacer la instalación de puesta a tierra, ni marca valores de referencia de la resistencia de paso a tierra y además tampoco impone la instalación de algún dispositivo de protección. Desde ese momento el desarrollo técnico y normativo es muy fuerte surgiendo numerosas referencias y pautas de instalación y de cómo proyectar las instalaciones para garantizar la seguridad del usuario. Dentro del marco normativo y las recomendaciones de diseño para la seguridad del usuario y bienes de la instalación aparece como punto de partida fundamental el tipo de sistema de puesta a tierra o régimen de neutro a implementar tanto por su vertiente de facilitador del funcionamiento de las protecciones como por limitar al usuario final una tensión de contacto que sea peligrosa. Por tanto el estudio y desarrollo de estos sistemas es el resultado de una larga evolución en busca de la mejor protección de las personas. 14 “ANALISIS DE LA INFLUENCIA DEL RÉGIMEN DE NEUTRO EN LA COMPATIBILIDAD ELECTROMAGNÉTICA EN EDIFICIOS HOSPITALARIOS. PROPUESTA DE UNA NUEVA TECNICA CORRECTORA” PARTE I. OBJETIVOS Y JUSTIFICACIÓN DE LA INVESTIGACIÓN En la presente tesis me centraré en los distintos regímenes de neutro desde distintos puntos de vista algunos de ellos no estudiados en profundidad hasta la fecha. Centrándome en la zona de alimentación al usuario, es decir desde el transformador reductor final a equipos (suministro en Baja Tensión). Como se irá viendo a lo largo del documento, hay muchos estudios teórico-prácticos sobre su elección en base a criterios operativos y puramente eléctricos. Criterios como seguridad frente a accidentes eléctricos, o en términos de disponibilidad, mantenimiento o fiabilidad han sido muy estudiados existiendo ciertas recomendaciones en el ámbito eléctrico para el empleo de cada uno de ellos (TT, IT ó TN) en función del tipo de edificio a electrificar. No obstante, esas recomendaciones no se han trasladado de manera directa a la legislación española salvo en el caso de Salas de Intervención donde se obliga a un sistema IT. En España es habitual encontrarse frente a Administraciones o Propiedades que evitan la instalación de un régimen de neutro determinado por “falta de habito” del personal que mantiene las mismas o por la complejidad en el cálculo de alguno de estos sistemas tanto en el proyecto inicial como ante cambios de la infraestructura eléctrica del inmueble una vez en operación. Aunque, como se justificará a lo largo del documento, las bondades y desventajas de cada uno de los sistemas están ampliamente documentados, al dejar el Reglamento Electrotécnico de Baja Tensión (REBT según Real Decreto 842/2002 de 2 de agosto de 2002) abierto el tipo de sistema de puesta a tierra a implementar, es fácil observar en el mercado el abuso del sistema TT frente a otros aunque no esté especialmente indicado en función del tipo de instalación. Por otra parte, la influencia de los distintos regímenes de neutro en la transmisión de señales de “mili potencia” (compatibilidad magnética) no ha sido estudiada en toda su profundidad. Sí que hay un gran número de normas y estudios relativos a la exposición a campos electromagnéticos y la salud 1 , sobre compatibilidad electromagnética de dispositivos médicos2 y sobre compatibilidad electromagnética en equipos de radiocomunicaciones, pero la globalidad de ellos estudiando los efectos de ondas alta frecuencia y comúnmente 1 Norma ICNIRP-98 relativa a exposición a campos electromagnéticos en seres humanos. 2 Norma IEC 60601-1-2 (AENOR, 2002c) que regula los dispositivos electro médicos estableciendo condiciones de inmunidad para un correcto funcionamiento. 15 “ANALISIS DE LA INFLUENCIA DEL RÉGIMEN DE NEUTRO EN LA COMPATIBILIDAD ELECTROMAGNÉTICA EN EDIFICIOS HOSPITALARIOS. PROPUESTA DE UNA NUEVA TECNICA CORRECTORA” PARTE I. OBJETIVOS Y JUSTIFICACIÓN DE LA INVESTIGACIÓN de tipo radiado. La corriente alterna que alimenta nuestro sistema de baja tensión es una onda a 50 Hz y que discurre por un elemento conductor aislado en los interiores de los inmuebles a alimentar. Esta circunstancia hace que su afección sea a priori menor y por tanto no ha generado estudios al respecto. En el ámbito español sólo la norma UNE 50310:2007 marca ciertas recomendaciones para edificios con equipos de tecnología de información pero de carácter no vinculante y sin justificación técnica asociada. Y más concretamente para el ámbito sanitario (Hospitales) edificios con una alta densidad de equipos electrónicos no hay, ni indicaciones normativas, ni estudios de relevancia que vinculen los esquemas de puesta a tierra a su óptimo comportamiento. Es por tanto en este contexto de ausencia de regulación específica y de pautas de diseño de sistemas de puesta a tierra en el ámbito hospitalario como en la no existencia de estudios sobre qué régimen de neutro es más respetuoso desde el punto de vista de compatibilidad electromagnética en complejos hospitalarios donde se justifica la investigación desarrollada. 16 “ANALISIS DE LA INFLUENCIA DEL RÉGIMEN DE NEUTRO EN LA COMPATIBILIDAD ELECTROMAGNÉTICA EN EDIFICIOS HOSPITALARIOS. PROPUESTA DE UNA NUEVA TECNICA CORRECTORA” PARTE I. OBJETIVOS Y JUSTIFICACIÓN DE LA INVESTIGACIÓN 1.2 OBJETIVOS Por tanto los objetivos fundamentales de la Tesis doctoral desarrollada se pueden sintetizar en dos bloques: a) Un primer objetivo consiste en establecer una propuesta de marco normativo donde se fijen los tipos de puesta a tierra en función del uso y tipología del edificio. Teniendo en cuenta que es la primera instalación en el proceso constructivo del inmueble y que cualquier modificación a futuro es muy compleja y costosa al tener que intervenir en elementos estructurales del mismo así como en infraestructuras eléctricas ya montadas es conveniente dirigir al proyectista a la solución más adecuada mediante una obligación normativa que prevalezca sobre otro tipo de criterios ya sea económicos o de formación del personal mantenedor de la instalación. En concreto, tras analizar las ventajas de cada tipo de régimen de neutro y su mejor adecuación a cada tipo de edificio, en función de sus condiciones de explotación y la tipología de equipos a alimentar, se propone una modificación de la Instrucción Técnica Complementaria del Reglamento de Baja Tensión - ITC-BT-08 sobre “Sistemas de conexión del neutro y de las masas en redes de distribución de energía eléctrica”. La nueva redacción además pretende buscar una armonización con las normativas internacionales del entorno. Si bien estas tienen peculiaridades debidas a la distinta concepción del sistema de alimentación al usuario sí que hay puntos comunes que lo permitirán siempre guiados bajo el objetivo de lograr una instalación segura, con máxima disponibilidad (cuando se necesite) y fácilmente operable. Con esta modificación normativa se cubriría el hueco existente actualmente en la normativa eléctrica española previniendo de origen distintos problemas habituales en explotación de inmuebles con alto grado de implantación de equipos vinculados a tecnologías de la información donde se incluyen los hospitales. b) Un segundo objetivo es el analizar, ya en concreto para un ámbito hospitalario, qué sistema de puesta a tierra es más respetuoso con el funcionamiento de los equipos de electro medicina que alberga en su interior, estableciendo así mismo una propuesta de norma que regule este diseño. Una vez analizadas las bondades desde un punto de vista estrictamente eléctrico se analizará mediante simulación e inter comparación de dos centros hospitalarios que 17 “ANALISIS DE LA INFLUENCIA DEL RÉGIMEN DE NEUTRO EN LA COMPATIBILIDAD ELECTROMAGNÉTICA EN EDIFICIOS HOSPITALARIOS. PROPUESTA DE UNA NUEVA TECNICA CORRECTORA” PARTE I. OBJETIVOS Y JUSTIFICACIÓN DE LA INVESTIGACIÓN afección electromagnética genera cada tipo de sistema de puesta a tierra y cual por tanto es más respetuoso para un correcto funcionamiento de los equipos electro médicos . Por otro lado al analizarse la interactuación y coordinación de los sistemas eléctricos con los de comunicaciones del complejo se podrán sacar conclusiones sobre qué condiciones de diseño y montaje son más adecuados. Es en este punto donde se focaliza el objetivo más relevante de la tesis ya que no existen estudios documentados ni normativa sectorial obligatoria, nacional o internacional, que vincule un determinado sistema de puesta a tierra en edificación con el funcionamiento de equipos de electro medicina o incluso equipos electrónicos en general. Como se avanzó anteriormente en el ámbito español sólo la norma UNE 50310:2007 marca ciertas recomendaciones para edificios con equipos de tecnología de información pero de carácter no vinculante y sin justificación técnica asociada. Incluso en normas ya más específicas vinculas a los equipos de electro medicina como la UNE-EN 60601 que aborda los requisitos generales de este tipo de equipamiento para su seguridad y adecuado funcionamiento no es un punto tratado. Ni en la parte 1-2:2008 donde establece criterios y requisitos para su funcionamiento y ensayo de prestaciones se menciona que tipo de sistema de puesta tierra es el idóneo para una implantación adecuada en el futuro centro hospitalario. Por tanto el explorar en qué condiciones de puesta a tierra estos equipos tendría un nivel de funcionamiento óptimo y volcar los resultados como norma de referencia se convierte en el segundo objetivo a cubrir por la presente tesis. 18 “ANALISIS DE LA INFLUENCIA DEL RÉGIMEN DE NEUTRO EN LA COMPATIBILIDAD ELECTROMAGNÉTICA EN EDIFICIOS HOSPITALARIOS. PROPUESTA DE UNA NUEVA TECNICA CORRECTORA” PARTE I. OBJETIVOS Y JUSTIFICACIÓN DE LA INVESTIGACIÓN 1.3 HIPÓTESIS La hipótesis general a demostrar en el estudio es que en un entorno hospitalario un régimen de neutro establecido según un sistema TN-S es más adecuado que el habitualmente implantado que es el TT y que este sistema constituye, por diseño, una herramienta que, no solo facilita la explotación del inmueble desde un punto de vista eléctrico, sino que es una técnica correctora adecuada para generar un contexto electromagnético óptimo para el funcionamiento de los equipos de electro medicina. No hay que olvidar que en un contexto clínico 3 y humano hay distintas pruebas diagnósticas (potenciales evocados4, electromiogramas5, ablación de arritmias, etc.) que, aparte de su complejidad física en la realización llevan asociadas una molestia e incluso dolor al paciente al que se le realizan. La obtención de datos no válidos o claros por posibles problemas de compatibilidad electromagnética en el entorno que obligasen a repetirlas no cabe duda que conlleva un problema asociado para el paciente. Por tanto constituir desde las fases primigenias del proyecto constructivo del inmueble un contexto donde se minimicen este tipo de interferencias que provocan artefactos sería lo adecuado. Para medir estas interferencias el campo electrostático residual y el campo electromagnético en el entorno del equipo son los valores a tomar. Por tanto un sistema más respetuoso será aquel que lleve asociado un menor campo eléctrico generado en V/m en la zona de ubicación de equipos y sondas así como un menor campo electromagnético medido en A/m. Todo ello lógicamente evaluado por la producción de la perturbación en rangos de frecuencias del orden de los 50 Hz que es la utilizada para el transporte de corriente alterna trifásica en España6. Así mismo desde el punto de vista eléctrico un sistema equilibrado, a igualdad teórica de distribución de cargas, producirá menor impacto electromagnético en el entorno, es decir sistemas que minimicen la corriente de retorno por el neutro y provoquen menor tensión entre neutros (desadaptación de impedancia en el edificio) son más adecuados para lograr valores de campo eléctrico y magnético bajos y por tanto un mejor escenario para el funcionamiento de los equipos a los que alimente. 3 En equipos de instrumentación clínica, equipos de instrumentación quirúrgica, equipos de control de instalaciones, equipos asociados a tecnología de información y comunicaciones 4 Exploración neurofisiológica que evalúa la función del sistema sensorial acústico, visual, somatosensorial y sus vías por medio de respuestas provocadas frente a un estímulo conocido y normalizado. 5 Recogida de la actividad eléctrica de los músculos mediante variación de impulsos eléctricos normalizados. 6 El problema no es únicamente el nivel de frecuencia de 50 Hz, sino que la red eléctrica del inmueble es el instrumento de trasporte de interferencia conducida más importante que hay en dicho inmueble. 19 “ANALISIS DE LA INFLUENCIA DEL RÉGIMEN DE NEUTRO EN LA COMPATIBILIDAD ELECTROMAGNÉTICA EN EDIFICIOS HOSPITALARIOS. PROPUESTA DE UNA NUEVA TECNICA CORRECTORA” PARTE I. OBJETIVOS Y JUSTIFICACIÓN DE LA INVESTIGACIÓN Por tanto y concretando la hipótesis a validar en la presente tesis es que un hospital diseñado y construido con instalación eléctrica diseñada con régimen de neutro con sistema TN-S, genera mejor comportamiento electromagnético en su interior, es decir genera campos electrostáticos (V/m en el interior de sus estancias), campos electromagnéticos (A/m en el interior de sus estancias) y desequilibrios eléctricos menores que el otro sistema legal permitido en España que es el TT, sistema este último que resulta ser el más empleado habitualmente y proyectado en ámbito hospitalario, probablemente por las razones ya mencionadas. Así mismo y desde un punto de vista eléctrico se acreditará documentalmente que el sistema TN-S genera hospitales con instalación más robusta, con máxima disponibilidad y más fácilmente operable. Esto explica por qué se ha trasladado a la normativa obligatoria de los países de nuestro entorno como elemento estructural de la instalación eléctrica sin dejar al proyectista otras posibilidades al considerarlas no adecuadas dependiendo de qué ámbitos. Figura 1-1. Prueba potenciales evocados. [Fuente www.uned.es] 20 “ANALISIS DE LA INFLUENCIA DEL RÉGIMEN DE NEUTRO EN LA COMPATIBILIDAD ELECTROMAGNÉTICA EN EDIFICIOS HOSPITALARIOS. PROPUESTA DE UNA NUEVA TECNICA CORRECTORA” PARTE I. OBJETIVOS Y JUSTIFICACIÓN DE LA INVESTIGACIÓN 1.4 METODOLOGÍA 1.4.1 CONSIDERACIONES GENERALES El documento de tesis empieza haciendo una breve revisión al “estado del arte” de los sistemas de puesta a tierra. Comenzando con un pequeño desarrollo histórico que permite entender la situación eléctrica actual en de las instalaciones más comunes y explicando las distintas diferencias técnicas y funcionales de cada tipo de régimen de neutro legal en España. Para ello se evaluarán distintas fuentes de relevancia en el sector eléctrico, desde libros de texto de la propia especialidad eléctrica, que permitirán en algunos casos observar el poco peso dado a esta instalación base de la instalación eléctrica general e incluso las estandarizaciones tendentes a la sencillez por simplicidad poco recomendables, hasta artículos y cuadernos especializados base en algunos casos para el diseño de instalaciones en el sector. El primer objetivo marcado, establecer una propuesta de marco normativo donde se fijen los tipos de puesta a tierra en función del uso y tipología del edificio, requiere básicamente una labor documental intensa entre las mencionadas fuentes bibliográficas y sobre todo entre las normas sectoriales de aplicación de los países de nuestro entorno ya sea mediante normativa propia o armonizada pero siempre teniendo en cuanta las peculiaridades de distribución eléctrica en cada uno de los países donde regule dicha norma ya que como se argumentará no hay dos sistemas eléctricos iguales aunque si equivalentes. Esta búsqueda bibliográfica y su resumen explicativo concluirán en una comparativa sobre el comportamiento de los distintos regímenes de neutro que oriente al proyectista a su elección en función del tipo de inmueble destinatario del diseño. Una vez evaluadas las ventajas e inconvenientes de los sistemas de puesta tierra en distintos ámbitos nos centraremos en la influencia de la elección en la Compatibilidad Electromagnética (CEM). En un capítulo inicial se abordará el concepto de Compatibilidad Electromagnética desde un punto de vista teórico y más concretamente que influencia puede tener su estudio en un ámbito hospitalario en función del tipo de alimentación eléctrica prevista. Se ha seleccionado el ámbito hospitalario porque es una de las construcciones con mayor nivel de equipamiento (equipos de electro medicina con unas condiciones de uso muy restrictivas) y donde he desarrollado gran parte de mi actividad profesional pudiendo acceder a casos reales para su estudio y análisis. 21 “ANALISIS DE LA INFLUENCIA DEL RÉGIMEN DE NEUTRO EN LA COMPATIBILIDAD ELECTROMAGNÉTICA EN EDIFICIOS HOSPITALARIOS. PROPUESTA DE UNA NUEVA TECNICA CORRECTORA” PARTE I. OBJETIVOS Y JUSTIFICACIÓN DE LA INVESTIGACIÓN Como los casos que permiten el análisis son hospitales reales con acceso al proyecto inicial así como a la verificación de lo ejecutado al tratarse de hospitales en funcionamiento se resumirá la infraestructura eléctrica empleada vía Anexos a este documento (Anexo I y II) donde de forma escrita y gráfica se abordarán los datos principales para el estudio. Los principales parámetros de evaluación de la técnica correctora prevista se escogen en base a la normativa sectorial de aplicación (UNE 50310:2007 y UNE 60601), explicando la metodología seguida en ellas. Figura 1-2. Desarrollo normativo CEM. [Fuente norma IEC 60601] En ese capítulo introductorio sobre la CEM también se abordará como en un Complejo Hospitalario se está obligado a tomar contramedidas en arquitectura relacionadas con CEM, en aras a garantizar la estabilidad del cero de las técnicas de señalización con las que se transmite, tanto en la Intranet de Control Industrial como en la Intranet Asistencial, consistente en centralizar todas las comunicaciones sobre los mismos cuartos (Repartidores Satélites) y garantizar por diseño que el cero de la técnica de señalización para transmisión asociado a cada cuarto proceda de la misma referencia de neutro del mismo centro de transformación. Es decir se justificará como nuevamente desde el diseño constructivo inicial se puede permitir lograr un contexto electromagnético más amable para el funcionamiento del complejo hospitalario. Una vez comprendida qué es la compatibilidad electromagnética y su importancia en inmuebles destinados a uso hospitalario, se pasará a evaluar la misma con los parámetros ya mencionados y que se desarrollarán en profundidad en capítulos posteriores. 22 “ANALISIS DE LA INFLUENCIA DEL RÉGIMEN DE NEUTRO EN LA COMPATIBILIDAD ELECTROMAGNÉTICA EN EDIFICIOS HOSPITALARIOS. PROPUESTA DE UNA NUEVA TECNICA CORRECTORA” PARTE I. OBJETIVOS Y JUSTIFICACIÓN DE LA INVESTIGACIÓN Para ello sobre dos edificios reales (Nuevo Hospital de Burgos y Hospital Universitario de Ceuta) con redes ejecutadas (una TN-S y otra TT) se procederá a: - Justificar y explicar la red de tierras proyectada y ejecutada en cada uno de los casos. Para ello se partirá de los proyectos de ejecución realizados y de las medidas de puesta en marcha y recepción obtenidas en cada centro. - Simular mediante software específico el impacto electromagnético en zonas concretas del Hospital. Figura 1-3. Foto Nuevo Hospital Universitario de Burgos y Hospital Universitario de Ceuta. [Fuente: Estudio Inglada-Arévalo Arquitectos] Para cerrar la tesis y dando cumplimiento al segundo objetivo propuesto se analizarán las simulaciones realizadas evaluando si existe alguna ventaja técnica que minimice las interferencias electromagnéticas en el ámbito hospitalario debido a la alimentación eléctrica de los equipos y su puesta a tierra asociada. Así mismo se analizarán que técnicas de diseño y construcción pueden ser más beneficiosas en esta materia que sean fácilmente implementadas en fase de diseño y obra del complejo hospitalario. 23 “ANALISIS DE LA INFLUENCIA DEL RÉGIMEN DE NEUTRO EN LA COMPATIBILIDAD ELECTROMAGNÉTICA EN EDIFICIOS HOSPITALARIOS. PROPUESTA DE UNA NUEVA TECNICA CORRECTORA” PARTE I. OBJETIVOS Y JUSTIFICACIÓN DE LA INVESTIGACIÓN 1.4.2 METODOLOGÍA PARA EL DESARROLLO DE LOS OBJETIVOS Como se ha comentado en el epígrafe anterior gran parte de la tesis y en concreto el primero de los objetivos expuestos se basa en una fuerte revisión documental de las normas y reglamentos de nuestro entorno. De la normativa sectorial de aplicación se esbozará lo contenido en el Reglamento Electrotécnico para Baja Tensión (REBT), aprobado en Real Decreto 842/2002 el 2 de agosto de 2002 y sus Instrucciones Técnicas Complementarias de Aplicación que son: - En la ITC-BT-08 que es donde se regulan los sistemas de conexión del Neutro y de las masas en las redes de distribución. En la ITC-BT-24 que es donde se define la protección contra contactos indirectos, en función de los diferentes esquemas. Íntimamente relacionadas con las normas anteriores y por orden de aparición y aplicación temporal se resumirá lo establecido en las normas UNE y UNE HD (Harmonized Document) de empleo en el sector, en concreto: - - Norma UNE-20460-3-31: “Instalaciones eléctricas en edificios. Determinación de las características generales”. Norma UNE-20460-4-41: “Instalaciones eléctricas en edificios. Protección para garantizar la seguridad. Protección contra los choques eléctricos”. Norma UNE-HD-60364-1: “Instalaciones eléctricas de baja tensión. Principios fundamentales, determinación de las características generales, definiciones”. Norma UNE-HD-60364-4-41: “Instalaciones eléctricas en edificios. Protección para garantizar la seguridad. Protección contra los choques eléctricos”. También tiene gran relevancia para el análisis, lo establecido en las guías de diseño de carácter autonómico. Hay Comunidades Autónomas con un alto grado de desarrollo normativo propio, y normas UNE complementarias a las anteriores que son relevantes para el estudio. En concreto se analizarán como base del desarrollo previsto: - Guía de esquemas de suministro y sistemas de distribución en Centros Hospitalarios. SACYL (Servicio de Salud de Castilla y León). Norma UNE-20460-7-71: “Instalaciones eléctricas en edificios. Reglas para instalaciones y emplazamientos especiales. Locales de uso médico”. 24 “ANALISIS DE LA INFLUENCIA DEL RÉGIMEN DE NEUTRO EN LA COMPATIBILIDAD ELECTROMAGNÉTICA EN EDIFICIOS HOSPITALARIOS. PROPUESTA DE UNA NUEVA TECNICA CORRECTORA” PARTE I. OBJETIVOS Y JUSTIFICACIÓN DE LA INVESTIGACIÓN - Norma UNE-EN 50310: “Aplicación de la unión equipotencial y de la puesta a tierra en edificios con equipos de tecnología de la información. En el ámbito de las normativas internacionales se han tomado como referencia las siguientes: - Código Eléctrico Nacional Americano (NEC), “National Electrical Code), NFPA-70” Norma Francesa, “Installations électriques á base tensión, NFC 15 100” Reglamento Eléctrico Portugués, “Regras Técnicas das Instalações Eléctricas de Baixa Tensão, RTIEBT”. Regulación Eléctrica Británica, “IEE Wiring Regulations, BS7671”. Normas IEC de la Comisión Electrotécnica Internacional, “IEC 60364, Electrical Installations for Buildings” Para esta elección se ha tomado en consideración, por un lado la cercanía de los países (países con los que hay una interconexión eléctrica con España) y por otro el grado de desarrollo normativo del país de referencia, así como la experiencia adquirida profesionalmente en el diseño eléctrico en algunos de esos países que me ha permitido no solo la lectura aséptica de la norma sino la validación de su contenido con los responsables administrativos de cada lugar. Todo ese análisis normativo junto con la bibliografía especializada referida permitirá generar una propuesta de norma modificando la ITC-BT-08 del REBT sobre “Sistemas de conexión del neutro y de las masas en redes de distribución de energía eléctrica” en función de la utilización del inmueble ya que en la actualidad el REBT sólo exige que la elección de uno de los tres esquemas debe hacerse en función de las características técnicas y económicas de cada instalación, dejando al proyectista libertad para seleccionar el esquema de conexión a tierra más conveniente. Para el análisis de la CEM en los recintos de los hospitales comentados se ha optado por la simulación mediante software específico del comportamiento de la red en los recintos de complejo. Se modela el sistema de tierras obtenido previamente de los planos con los esquemas en formato AUTOCAD (base del cálculo) y se parametriza en base a los valores reales obtenidos en la puesta en marcha y posterior mantenimiento. Como se adelantó anteriormente se ha seleccionado el Nuevo Hospital Universitario de Burgos, diseñado por PROMEC S.A. empresa de ingeniería donde el doctorando desarrolla su actividad laboral como Director Técnico, siendo responsable de su diseño y Dirección de ejecución, y que tiene implantado un sistema TN-S. El sistema a simular por 25 “ANALISIS DE LA INFLUENCIA DEL RÉGIMEN DE NEUTRO EN LA COMPATIBILIDAD ELECTROMAGNÉTICA EN EDIFICIOS HOSPITALARIOS. PROPUESTA DE UNA NUEVA TECNICA CORRECTORA” PARTE I. OBJETIVOS Y JUSTIFICACIÓN DE LA INVESTIGACIÓN tanto está disponible y los valores de paso a tierra son reales y verificados con medidas de campo previo a la entrega de la obra realizada en diciembre de 2012. Por otro lado se ha seleccionado el Hospital Universitario de Ceuta al ser un centro hospitalario diseñado con un régimen de neutro TT y disponer de toda la documentación de diseño al haber colaborado puntualmente con el INGESA (Instituto Nacional de Gestión Sanitaria) en la puesta en marcha y haber tenido el permiso de la Dirección Facultativa de la Obra, Arévalo – Inglada Arquitectos para su empleo en esta Tesis. En este caso la red a modelar si estaba definida pero no así los valores reales de funcionamiento de paso a tierra. Por eso en este caso se ha tenido que hacer una medición de campo de estos parámetros con objeto de fijar de forma precisa y sin ambigüedad los valores de simulación. Se ha optado por la simulación mediante un software para la obtención de los parámetros requeridos por distintos motivos: - Las mediciones de campo no son significativos cara a una posible inter comparación de valores ya que los recintos en estudio son distintos y los receptores existentes difieren sustancialmente. Es decir no se podría evaluar de forma directa el comportamiento de un hospital concreto bajo otro régimen de neutro y por tanto la bondad (pertinencia) o no del mismo para la distribución eléctrica de los receptores. - Los equipos de electro medicina instalados disponen en general de transformador de aislamiento propio, es decir, hay una separación galvánica entre los elementos alimentados por el equipo y la red eléctrica del hospital. Esta práctica, no muy conveniente desde el punto de vista de la comunicaciones ya que traslada el punto origen de las señales transmitidas una vez atraviesan el receptor pudiendo generar problemas en las medidas tomadas, es práctica habitual de los fabricantes precisamente al no confiar en la estabilidad eléctrica de la instalación general del hospital. Por tanto medir en punto terminal en cualquier caso sería irreal puesto que en ningún caso la red tiene continuidad hasta punto de uso. Uno de los puntos que se verá en conclusiones precisamente es que si se dotase a los hospitales de una red segura y fiable cara al fabricante del equipo de electro medicina se podría eliminar el transformador de aislamiento interno generando un mejor funcionamiento del equipo por diseño constructivo de forma directa. - No hay espacio físico en los espacios hospitalarios más significativos para una medición directa según recomendaciones normativas. En concreto los espacios y distancias marcados en la norma UNE.EN 61000-4-8:2011 26 “ANALISIS DE LA INFLUENCIA DEL RÉGIMEN DE NEUTRO EN LA COMPATIBILIDAD ELECTROMAGNÉTICA EN EDIFICIOS HOSPITALARIOS. PROPUESTA DE UNA NUEVA TECNICA CORRECTORA” PARTE I. OBJETIVOS Y JUSTIFICACIÓN DE LA INVESTIGACIÓN “Compatibilidad Electromagnética (CEM). Ensayos de inmunidad a los campos magnéticos a frecuencia industrial” en su punto 8 están pensados para ensayos en laboratorios no compatibles con espacios o habitáculos con alta densidad de ocupación y de tamaño limitado. - Hay experiencias contrastadas en la bibliografía, que se expondrá en distintos epígrafes del presente documento, que justifica que el software empleado tiene una precisión y aproximación a la realidad muy buena lo que lo posibilita, en escenarios como el elegido, su empleo con alto grado de fiabilidad. Tras un análisis del software de simulación disponible en el mercado se ha optado por emplear las aplicaciones ETAP y CST Estudio. Se empleará el ETAP para las simulaciones eléctricas y el CST para la simulación electromagnética. En primer lugar, con el simulador ETAP, se realizan las simulaciones de los dos escenarios conocidos: el del Nuevo Hospital Universitario de Ceuta con distribución TT, y el del Hospital Universitario de Burgos con distribución TN-S. Este simulador permite obtener las corrientes de funcionamiento del esquema de baja tensión basado en los planos de ambos hospitales. Aquí se tratará de ver los distintos valores obtenidos en una situación estacionario de funcionamiento del complejo hospitalario, pudiendo evaluar corrientes de defecto previstas, de retorno por el neutro y desequilibrio entre neutros entre centro de transformación de servicio y cargas. En segundo lugar, con el simulador CST, se va a reproducir un escenario simplificado de cada hospital. Con este tipo de simuladores, aparte de obtener una simulación eléctrica parecida a la mencionada con el ETAP, se puede obtener el campo eléctrico y magnético debido a éstas. Para ver la influencia que tiene la distribución de las puestas a tierra, se va a simular el mismo esquema con los dos tipos de distribuciones. Aunque se dedica un Anexo específico a la descripción detallada de los mismos se describe de forma resumida el funcionamiento de cada uno de ellos: ETAP: es una herramienta especializada en la simulación de sistemas de potencia. Mediante los diversos tipos de simulación que se pueden realizar, esta herramienta permite una completa caracterización del sistema real. De forma similar a otro tipo de simuladores de esta clase, permite obtener los voltajes, corrientes y potencia que discurren por los distintos elementos del sistema simulado. Para ello, se pueden utilizar los tipos de simulación ‘Load Flow’ y ‘Unbalanced Load Flow’. La diferencia entre ellos, es que el segundo tiene un comportamiento más real si se 27 “ANALISIS DE LA INFLUENCIA DEL RÉGIMEN DE NEUTRO EN LA COMPATIBILIDAD ELECTROMAGNÉTICA EN EDIFICIOS HOSPITALARIOS. PROPUESTA DE UNA NUEVA TECNICA CORRECTORA” PARTE I. OBJETIVOS Y JUSTIFICACIÓN DE LA INVESTIGACIÓN combinan cargas monofásicas y trifásicas como las existentes en los inmuebles destinados a uso hospitalario. Los resultados se obtiene mediante los siguientes métodos matemáticos de cálculo: Newton-Raphson, Newton-Raphson adaptativo, método desacoplado rápido y método Gauss-Seidel. De especial interés para el estudio realizado es su módulo ’Ground System’, basado en elementos finitos que permite el diseño y análisis de puesta a tierra. En el esquema de conexión a tierra de los elementos es posible elegir entre los distintos modelos: TT, TNS, TN-C ó TN-C-S. Con la herramienta de detección automática de tierras, a través de un código de colores, permite al usuario una clara distinción de cómo están conectados los distintos elementos del sistema a tierra y modelar cualquier instalación de las proyectadas. Este simulador presenta el inconveniente de no calcular los campos eléctricos ni magnéticos que se generarían debido a las corrientes que circulan a través de los distintos elementos del sistema. Figura 1-4. Logo programa de cálculo empleado y outputs tipo. [Fuente: http://etap.com] CST Studio: es un conjunto de módulos de simulación electromagnética en 2d y 3d que permiten simular un amplio abanico de escenarios. Entre todos los módulos disponibles, para nuestro objetivo cabe destacar el CST EM Studio, orientado a simulaciones de baja frecuencias, y el CST Cable Studio dedicado al análisis de integridad de señal, emisiones conducidas, emisiones radiadas y susceptibilidad electromagnética de estructuras de cables. 28 “ANALISIS DE LA INFLUENCIA DEL RÉGIMEN DE NEUTRO EN LA COMPATIBILIDAD ELECTROMAGNÉTICA EN EDIFICIOS HOSPITALARIOS. PROPUESTA DE UNA NUEVA TECNICA CORRECTORA” PARTE I. OBJETIVOS Y JUSTIFICACIÓN DE LA INVESTIGACIÓN En este segundo módulo, aparte de tener una herramienta para definir las características de los cables de forma sencilla, se puede crear un modelado 2d de ellos. Este modelo puede ser utilizado en el módulo ‘Circuit Simulator’ para realizar simulaciones junto con el resto de elementos del sistema para obtener los voltajes y corrientes de cada uno de ellos. Una vez conocidas estas corrientes pueden ser utilizadas como fuente de alimentación de los cables modelados en 3d, permitiendo calcular los campos eléctricos y magnéticos que se generan debido a ellas. Debido a que no es un programa específico de simulación de sistemas de potencia, es de compleja dificultad realizar un modelado de los componentes que lo forman. Figura 1-5. Logo programa de cálculo empleado y outputs tipo. Fuente: https://www.cst.com Por tanto la metodología a seguir en la parte de simulaciones se resume en los siguientes puntos: a. Modelado de la red de tierras de los hospitales considerados en el programa ETAP. b. Obtención de las corrientes de funcionamiento de ambos hospitales en régimen permanente es decir a condiciones de carga prevista, logrando evaluar las corrientes de retorno por el neutro. c. Generación con el simulador CST de un escenario simplificado de cada hospital. 29 “ANALISIS DE LA INFLUENCIA DEL RÉGIMEN DE NEUTRO EN LA COMPATIBILIDAD ELECTROMAGNÉTICA EN EDIFICIOS HOSPITALARIOS. PROPUESTA DE UNA NUEVA TECNICA CORRECTORA” PARTE I. OBJETIVOS Y JUSTIFICACIÓN DE LA INVESTIGACIÓN d. Obtención del campo eléctrico y magnético en los ambientes de cada hospital en su funcionamiento habitual y comparación de los resultados obtenidos. e. Simulación del comportamiento del Hospital Universitario de Ceuta, construido y simulado con un régimen de neutro TT bajo un sistema teórico TN-S y comparación de los resultados obtenidos con la simulación inicial. Logrados los datos necesarios en todas las situaciones previstas se generará un capítulo de conclusiones donde se expondrá el cumplimiento de las hipótesis descritas y las propuestas de las técnicas correctoras vía cambios en la normativa sectorial vigente de aplicación. 30 “ANALISIS DE LA INFLUENCIA DEL RÉGIMEN DE NEUTRO EN LA COMPATIBILIDAD ELECTROMAGNÉTICA EN EDIFICIOS HOSPITALARIOS. PROPUESTA DE UNA NUEVA TECNICA CORRECTORA” PARTE II. ESTADO DEL ARTE PARTE II: ESTADO DEL ARTE 31 “ANALISIS DE LA INFLUENCIA DEL RÉGIMEN DE NEUTRO EN LA COMPATIBILIDAD ELECTROMAGNÉTICA EN EDIFICIOS HOSPITALARIOS. PROPUESTA DE UNA NUEVA TECNICA CORRECTORA” PARTE II. ESTADO DEL ARTE 32 “ANALISIS DE LA INFLUENCIA DEL RÉGIMEN DE NEUTRO EN LA COMPATIBILIDAD ELECTROMAGNÉTICA EN EDIFICIOS HOSPITALARIOS. PROPUESTA DE UNA NUEVA TECNICA CORRECTORA” PARTE II. ESTADO DEL ARTE 2 CAPÍTULO 2: CONCEPTO DE RÉGIMEN DE NEUTRO. TIPOLOGÍAS Y CARACTERÍSTICAS FUNDAMENTALES. 2.1 CONCEPTO DE REGIMEN DE NEUTRO. ASPECTOS CONSTRUCTIVOS. Como se define y explica perfectamente en la ITC 18 del REBT la puesta a tierra, también llamado régimen de neutro, “es la unión eléctrica directa, sin fusibles ni protección alguna, de una parte del circuito eléctrico o de una parte conductora no perteneciente al mismo mediante una toma de tierra con un electrodo o grupos de electrodos enterrados en el suelo”. ¿Qué se busca con esta unión? Básicamente “conseguir que en el conjunto de instalaciones, edificios y superficie próxima del terreno no aparezcan diferencias de potencial peligrosas y que, al mismo tiempo, permita el paso a tierra de las corrientes de defecto o las de descarga de origen atmosférico”. En definitiva las puestas a tierra se establecen principalmente con un triple objetivo: - Limitar la tensión que, con respecto a tierra, puedan presentar en un momento dado las masas metálicas de la instalación protegiendo consecuentemente al usuario de una tensión de contacto que sea peligrosa para él o el entrono. - Asegurar la actuación de las protecciones proyectadas, especialmente Dispositivos Diferenciales Residuales (DDR) o equivalentes. - Eliminar o mitigar el riesgo que supone una avería en los componentes eléctricos de la instalación eléctrica. Es decir el gran propósito de la puesta a tierra de partes metálicas (no activas) accesibles y conductoras, es la de limitar su accidental puesta en tensión con respecto a tierra por fallo de los aislamientos. Con esta puesta a tierra, la tensión de defecto (Vd) generará una corriente de defecto (Id) que deberá hacer disparar los sistemas de protección cuando la Vd pueda llegar a ser peligrosa. Esta medida de protección va encaminada a limitar la tensión máxima de contacto (UL) a la que, a través de contactos indirectos, pudieran someterse las personas así como la 33 “ANALISIS DE LA INFLUENCIA DEL RÉGIMEN DE NEUTRO EN LA COMPATIBILIDAD ELECTROMAGNÉTICA EN EDIFICIOS HOSPITALARIOS. PROPUESTA DE UNA NUEVA TECNICA CORRECTORA” PARTE II. ESTADO DEL ARTE máxima intensidad de contacto (Imc). Los límites deberán ser inferiores a los básicos que citan las normas de aplicación. Así el R.E.B.T. toma como límite para la tensión de contacto (Uc) 50V (en vez de 65V por ejemplo de las normas alemanas) por tanto la intensidad de paso máxima por el cuerpo humano la deja limitada a Imc =50/1.300=38,5 mA al ser la resistencia media de un ser humano del orden de los 1300 Ohmios. La red de puesta a tierra debe garantizar que la resistencia total del circuito eléctrico cerrado por las redes y las puestas a tierra y neutro, bajo la tensión de defecto (Vd), de lugar a una corriente Id suficiente para hacer disparar a los dispositivos de protección diseñados en la instalación, en un tiempo igual o inferior a 0,4 segundos, para una tensión no superior a 230 voltios (según ITC-BT-24 del REBT). Es decir la protección de puesta a tierra deberá impedir la permanencia de una tensión de contacto Uc superior a 50 V en una pieza conductiva no activa (masa), expuesta al contacto directo de las personas. Cuando el local sea conductor, la tensión de contacto deberá ser inferior a 24 V. Para que la intensidad de defecto Id sea la mayor posible y pueda dar lugar al disparo de los sistemas de protección, la red de puesta a tierra no incluirá en serie las masas ni elementos metálicos resistivos distintos de los conductores en cobre destinados y proyectados para este fin. Siempre la conexión de las masas y los elementos metálicos a la red de puesta a tierra se efectuarán por derivaciones desde ésta. Tal y como se muestra en la Figura 2.1. adjunta la red de tierras une todo elemento metálico de la instalación normalmente empleando cables, por lo general aislados para tensión nominal de 450/750 V con tensión de prueba de 2.500 V, como mínimo, color Amarillo-Verde hasta las distintas redes interconectadas con el terreno. En un edificio con Centro de Transformación propio, se prevén en diseño y construcción las siguientes redes de tierra independientes y que a continuación se describen: a) Red de Puesta a Tierra de Protección Alta Tensión Es la red que enlaza todas las envolventes metálicas de cabinas, herrajes, envolventes metálicas de cables de Alta tensión (A.T.), puestas a tierra de seccionadores, cubas y armazones de transformadores de potencia, punto común de los transformadores del 34 “ANALISIS DE LA INFLUENCIA DEL RÉGIMEN DE NEUTRO EN LA COMPATIBILIDAD ELECTROMAGNÉTICA EN EDIFICIOS HOSPITALARIOS. PROPUESTA DE UNA NUEVA TECNICA CORRECTORA” PARTE II. ESTADO DEL ARTE equipo de medida en A.T. y mallazo de equipotencialidad instalado en el suelo del local del Centro de Transformación. El mallazo suele ser electrosoldado, formando una retícula (normalmente de 30×30 cm) que se instala en todo el Centro de Transformación (CT), cubriéndose posteriormente con una capa de hormigón de 10 cm de espesor como mínimo. El mallazo se pone a tierra utilizando dos o más puntos preferentemente opuestos del mismo. En todos los casos, la puesta a tierra de las partes metálicas accesibles, se realiza como instalación vista, utilizando varilla de cobre rígida normalmente fijada por grapa especial a paredes, y mediante terminal adecuado en sus conexiones a elementos metálicos. Cuando estos elementos metálicos sean móviles (puertas abatibles) la conexión se suele realizar con trenza de cobre. Esta red de puesta a tierra se realiza conforme al Reglamento de Subestaciones Transformadoras (recientemente actualizado según Real Decreto 337/2014, de 9 de mayo, por el que se aprueban el Reglamento sobre condiciones técnicas y garantías de seguridad en instalaciones eléctricas de alta tensión y sus Instrucciones Técnicas Complementarias ITC-RAT 01 a 23). Es en este documento donde se fija su resistencia de paso a tierra así como las condiciones para consideración de independencia. 35 “ANALISIS DE LA INFLUENCIA DEL RÉGIMEN DE NEUTRO EN LA COMPATIBILIDAD ELECTROMAGNÉTICA EN EDIFICIOS HOSPITALARIOS. PROPUESTA DE UNA NUEVA TECNICA CORRECTORA” PARTE II. ESTADO DEL ARTE 1 PUESTA A TIERRA INDEPENDIENTE RED ALTA TENSION 2 PUESTAS A TIERRA INDEPENDIENTES VARIOS 3 PUESTA A TIERRA RED PROTECCION BAJA TENSION. 4 PUESTA A TIERRA DE Y A LA ESTRUCTURA DEL EDIFICIO 5 PUESTA A TIERRA A TRAVES DE LA RED DE PROTECCION B.T. 6 PUESTA A NEUTRO DE AUTOVALVULAS, LIMITADORES Y DESCARGADORES 7 POSIBILIDAD SISTEMAS "TT" O "TN-S" GE RED EQUIPOTENCIAL CABLEADO VOZ-DATOS Y ANTENAS ESQUEMA DE REDES DE PUESTA A TIERRA INDEPENDIENTES E INTERCONEXION ENTRE ELLAS AUTOVALVULAS LIMITADORES Y DESCARGADORES PUESTA A TIERRA NEUTRO GE RESISTENCIA GLOBAL DE PUESTA A TIERRA DE LA BARRA DE NEUTROS 2 Ohmios 6 2 PARARRAYOS 2 FUERZA RADIOLOGIA PANELES DE AISLAMIENTO CONTACTO NEUTRO DEL INT. PROT. BT DERIVACIONES INDIVIDUALES CP BARRA UNICA DE NEUTROS DEL CGBT CONTACTO NEUTRO DEL INT. PROT. BT 5 7 2 5 2 BARRA CP DEL CGBT PUESTA A TIERRA DE NEUTROS 4 TRAFO II TRAFO I 3 2 2 4 2 4 2 PUESTA A TIERRA PROTECCION BT 1 PUESTA A TIERRA PROTECCION AT 35 mm2 Cu DESNUDO ENTERRADO 4 RED PUESTA A TIERRA DE LA ESTRUCTURA (RESISTENCIA (35 mm2 Cu DESNUDO ENTERRADO) 2 Ohmios) RED TUBERIAS AGUA SANITARIA RED TUBERIAS AGUA CLIMATIZACION Y CALEFACCION JAULA DE FARADAY DEPOSITOS ENTERRADOS GUIAS DE ASCENSORES Figura 2-1. Esquema tipo de puesta a tierra. Fuente: Pliego de Condiciones Hospital de Burgos 36 “ANALISIS DE LA INFLUENCIA DEL RÉGIMEN DE NEUTRO EN LA COMPATIBILIDAD ELECTROMAGNÉTICA EN EDIFICIOS HOSPITALARIOS. PROPUESTA DE UNA NUEVA TECNICA CORRECTORA” PARTE II. ESTADO DEL ARTE En la Figura 2.2. se muestra un ejemplo de esta red de puesta a tierra. Figura 2-2. Red de Puesta a Tierra de Protección Alta Tensión. Fuente: Elaboración propia (Hospital de Burgos) b) Red de Puesta a Tierra de Servicio Dentro de esta red se incluyen otras redes que debiendo ser realizadas como independientes, quedarán enlazadas en puntos únicos y característicos de cada una de ellas, formando finalmente una única red de puesta a tierra. Estas redes independientes son: 1. Neutros de estrella en B.T. de transformadores de potencia. El número de ellas será el mismo que de transformadores de potencia requeridos. 2. Neutros de generadores de corriente alterna. Como las anteriores, serán tantas como generadores existan en la instalación. 3. Autoválvulas, limitadores o descargadores para protección de líneas eléctricas contra sobretensiones de red o de origen atmosférico. Serán tantas 37 “ANALISIS DE LA INFLUENCIA DEL RÉGIMEN DE NEUTRO EN LA COMPATIBILIDAD ELECTROMAGNÉTICA EN EDIFICIOS HOSPITALARIOS. PROPUESTA DE UNA NUEVA TECNICA CORRECTORA” PARTE II. ESTADO DEL ARTE como la disposición de los mismos en la instalación y su distanciamiento exijan. Una vez realizadas, se suele proceder a su interconexión de la siguiente forma: - - - c) Los neutros de transformadores quedan unidos entre sí en la barra general de neutros del Cuadro General de Baja tensión (CGBT), a través del interruptor automático de B.T. (Baja Tensión) de cada uno de ellos. La de los generadores de corriente alterna lo harán, de igual forma, cuando les corresponda suplir al suministro normal y acoplarse al CGBT para dar el suministro complementario. La de autoválvulas, limitadores o descargadores se enlazarán entre sí, quedando unida a la barra de neutros del CGBT a través de un puente de comprobación propio. Red de Puesta a Tierra de la Estructura del Edificio Enlaza entre sí la estructura metálica y armaduras de muros y soportes de hormigón. Aunque el REBT en su ITC BT 18 y en la Guía de Aplicación del Ministerio se marcan distintos modos constructivos para su realización el enlace se realiza normalmente con conductores de cobre desnudo de 35 mm2 de sección, enterrados por debajo de la primera solera (sobre el terreno) transitable. El cable, tendido formando una red adaptada al replanteo de pilares, se pone a tierra mediante el empleo de picas unidas al cable con soldaduras aluminotérmicas (modo recomendado frente a uniones atornillados o pernillos). Este tipo de soldadura será también la que se debe emplear en las conexiones entre cables para formar la red, en las derivaciones y propias conexiones a pilares o armaduras metálicas, así como enlaces con arquetas de conexión para puesta a tierra de las diferentes instalaciones. 38 “ANALISIS DE LA INFLUENCIA DEL RÉGIMEN DE NEUTRO EN LA COMPATIBILIDAD ELECTROMAGNÉTICA EN EDIFICIOS HOSPITALARIOS. PROPUESTA DE UNA NUEVA TECNICA CORRECTORA” PARTE II. ESTADO DEL ARTE Figura 2-3. Red de Puesta a Tierra de la Estructura del Edificio. Ejecución. Fuente: Elaboración propia (Hospital de Burgos) Figura 2-4. Red de Puesta a Tierra de la Estructura del Edificio. Replanteo. Fuente: Elaboración propia (Hospital de Burgos) 39 “ANALISIS DE LA INFLUENCIA DEL RÉGIMEN DE NEUTRO EN LA COMPATIBILIDAD ELECTROMAGNÉTICA EN EDIFICIOS HOSPITALARIOS. PROPUESTA DE UNA NUEVA TECNICA CORRECTORA” PARTE II. ESTADO DEL ARTE La sección del cable debe ser uniforme en todo su tendido, incluso en las diferentes derivaciones. Las picas o electrodos empleados para su puesta a tierra suelen ser en acero cobrizado y se instalan en todo el recorrido en función de los valores normativos marcados. Figura 2-5. Electrodos de puesta a tierra para comunicaciones. Fuente: Elaboración propia (Hospital de Burgos) d) Red de Puesta a Tierra de Protección Baja Tensión Enlaza entre sí todas las partes metálicas de la instalación eléctrica de B.T., normalmente no sometidas a tensión que, accidentalmente por fallo en los aislamientos, pudieran entrar en tensión. Una vez enlazadas mediante los conductores de protección, esta red se pondrá a tierra a través de las derivaciones de la línea principal (unificadas en la barra colectora de tierras 40 “ANALISIS DE LA INFLUENCIA DEL RÉGIMEN DE NEUTRO EN LA COMPATIBILIDAD ELECTROMAGNÉTICA EN EDIFICIOS HOSPITALARIOS. PROPUESTA DE UNA NUEVA TECNICA CORRECTORA” PARTE II. ESTADO DEL ARTE del CGBT) y la propia línea principal que sirve de enlace entre la barra colectora y la toma de puesta a tierra, intercalando el correspondiente puente de comprobación. Asimismo y de conformidad con la ITC-BT-26 apartado 3 del REBT, se deberá enlazar esta red de Protección en Baja Tensión con la de Estructura, quedando unificadas así las masas de las siguientes instalaciones: - - Masas de la instalación de Baja Tensión. Instalaciones metálicas de fontanería, gas, calefacción, etc. Depósitos y calderas metálicas. Guías metálicas de los aparatos elevadores. Todas las masas metálicas significativas del edificio. Red de puesta a tierra de masas correspondientes a equipos de Comunicaciones (antenas de TV, FM, telefonía, redes LAN, etc.) previa puesta a tierra de las mismas. Red de puesta a tierra de pararrayos de protección contra descargas eléctricas de origen atmosférico, previa puesta a tierra de los mismos. Esta red de puesta a tierra se realizará, según se ha venido comentando siempre cumpliendo las instrucciones ITC-BT-18 e ITC-BT-8. Con las interconexiones descritas, las redes de puesta a tierra quedarán reducidas a: - Red de protección Alta Tensión. Red de protección de Servicio. Red unificada de protección BT/Estructura. La unificación de la red de Protección de BT-Estructura con la de Servicios, se realizará en función de la necesidad de mantener un régimen de neutro en esquema TT o en TNS, según se explicará en el epígrafe siguiente de la tesis. Esta unificación, de hacerse, deberá ser hecha en el CGBT, uniendo entre sí la pletina de neutros y la colectora de tierras de Protección en BT. Para la realización de los electrodos de puesta a tierra, se utilizan habitualmente las configuraciones tipo con sus parámetros característicos definido en el tratado “Método de cálculo y proyecto de instalaciones de puesta a tierra para Centros de Transformación” conectados a redes de Tercera Categoría”, editado por UNESA. Asimismo y con el fin de analizar el tipo de electrodo necesario en cada caso, así como distribuirlos adecuadamente manteniendo las distancias para considerarlas como tomas 41 “ANALISIS DE LA INFLUENCIA DEL RÉGIMEN DE NEUTRO EN LA COMPATIBILIDAD ELECTROMAGNÉTICA EN EDIFICIOS HOSPITALARIOS. PROPUESTA DE UNA NUEVA TECNICA CORRECTORA” PARTE II. ESTADO DEL ARTE de tierras independientes, al comienzo de las obras el proyectista está obligado a realizar las medidas pertinentes de las resistividades de los terrenos disponibles, utilizando para ello el “Método de Wenner”, se puede aprovechar el momento de la realización del estudio geotécnico para optimizar esfuerzos. Aunque el REBT establece valores en función del tipo de terreno es conveniente la medición comentada al tener un alto grado de oscilación incluso dentro de la misma parcela en ocasiones. e) Enlace entre las Redes establecidas Cuando el Centro de Transformación no disponga de un edificio de uso exclusivo, sino que comparta estructura con el propio edificio o edificios a los que suministra energía eléctrica, será muy difícil (por no afirmar imposible) que en la construcción práctica del Centro de Transformación (C.T.) los herrajes que forman parte de la Red de Protección en A.T. (incluida la malla del suelo) no estén en contacto franco o mediante una resistencia eléctrica que no garantice el aislamiento adecuado con la Red de Estructura de los edificios. Por ello, una vez realizada la unificación reglamentaria Red de Protección B.T./Estructura (ITC-BT-26 apartado 3) que proporcionará por sí sola una resistencia de puesta a tierra muy baja (condición imprescindible), y además, estudiada la conveniencia de establecer un régimen de Neutro TN-S para el cual la resistencia global de la barra de neutros del CGBT también reglamentariamente tiene que ser igual o inferior a 2 ohmios, se deduce que, sea cual fuere la Resistencia de paso a tierra (Rt ) del CT, su unificación con las restantes redes en los puentes de comprobación dará como resultado una Resistencia Global de Puesta a Tierra igual o inferior a 2 ohmios. Esto quiere decir que para corrientes de defecto (Id) iguales o inferiores a 500 A, el valor de la tensión de defecto transferida no superará a Vd = 1000 V, que es la condición a cumplir imprescindiblemente para mantener la unificación mencionada para un Centro de Transformación de tercera categoría (Icc ≤ 16 kA) con acometida subterránea. El valor de Id ≤ 500 A deberá ser garantizado por la Compañía Suministradora en función de las condiciones que para el estado del Neutro tenga la red de A.T. con la que suministrará acometida al Centro de Transformación. 42 “ANALISIS DE LA INFLUENCIA DEL RÉGIMEN DE NEUTRO EN LA COMPATIBILIDAD ELECTROMAGNÉTICA EN EDIFICIOS HOSPITALARIOS. PROPUESTA DE UNA NUEVA TECNICA CORRECTORA” PARTE II. ESTADO DEL ARTE 2.2 TIPOS DE REGÍMENES DE NEUTRO EN LA ACTUALIDAD Actualmente se utilizan distintos esquemas de puesta a tierra en España, surgidos de la experiencia para la protección de las personas a lo largo de la evolución de las instalaciones eléctricas y reconocidas en la reglamentación vigente (REBT en su ITC BT 08). La denominación de estos esquemas se realiza con un código de letras con el siguiente significado: i. Primera letra: Situación de la alimentación con respecto a tierra, es decir del neutro del transformador de alimentación de la carga en el origen de la instalación: “T”=Conexión directa de un punto de alimentación a tierra. “I”=Aislamiento de todas las partes activas de la alimentación con respecto a tierra o conexión de un punto a tierra respecto a través de una impedancia. ii. Segunda letra: Situación de las masas de la instalación receptora con respecto a tierra, existiendo: “T”=Masas conectadas a tierra, independientemente de la tierra de la alimentación. “N”=Masas conectadas al neutro de la alimentación. iii. Tercera letra (eventual): Indicaría la situación relativa del conductor neutro y de protección: “S”=Conductor neutro (N) y de protección (CP) separados. “C”= Conductor neutro y de protección combinado (CPN). Las combinaciones anteriores llevan a tres posibles esquemas con sus características de instalación y funcionales distintas. En los siguientes epígrafes se pasa a explicar cada uno de ellos así como los condicionantes de instalación exigidos por los mismos para 43 “ANALISIS DE LA INFLUENCIA DEL RÉGIMEN DE NEUTRO EN LA COMPATIBILIDAD ELECTROMAGNÉTICA EN EDIFICIOS HOSPITALARIOS. PROPUESTA DE UNA NUEVA TECNICA CORRECTORA” PARTE II. ESTADO DEL ARTE acabar haciendo una comparativa y una pequeña guía de selección de cada uno de ellos en base a criterios técnicos, económicos y de explotación. Esta pequeña guía, junto con el análisis normativo que se llevará a cabo en el Capítulo 3 de las reglamentaciones tanto en España como en el entorno internacional dará pie a establecer una propuesta de norma para optimización del funcionamiento eléctrico de la instalación que complete la ITC BT 08 del REBT. 44 “ANALISIS DE LA INFLUENCIA DEL RÉGIMEN DE NEUTRO EN LA COMPATIBILIDAD ELECTROMAGNÉTICA EN EDIFICIOS HOSPITALARIOS. PROPUESTA DE UNA NUEVA TECNICA CORRECTORA” PARTE II. ESTADO DEL ARTE 2.2.1 SISTEMA TT El esquema TT tiene un punto de alimentación, generalmente el neutro que está conectado directamente a tierra, de ahí la primera T de su designación (“T”=Conexión directa de un punto de alimentación a tierra) y además las Masas de la instalación receptora están conectadas a una toma de tierra separada de la toma de tierra de la alimentación, por lo que la aparece la segunda T que da nombre al sistema (“T”=Masas conectadas a tierra, independientemente de la tierra de la alimentación). El esquema simplificado que aparece en la norma de referencia se muestra en la figura 2.6. adjunta. Figura 2-6. Esquema simplificado de distribución tipo TT. Fuente: REBT en su ITC BT 08 Es la solución más empleada al ser la más sencilla de proyectar y con menos condicionantes constructivos al establecerse analogías en todas las etapas de la instalación. En este esquema las intensidades de defecto fase-masa o fase-tierra pueden tener valores inferiores a los de cortocircuito, pero pueden ser suficientes para provocar la aparición de tensiones peligrosas para el usuario. En este sistema por lo general el bucle de defecto incluye resistencia de paso a tierra en alguna parte del circuito de defecto. Por tanto la protección de las personas (usuario del sistema eléctrico) es simple al poder garantizar su seguridad mediante la propia toma de 45 “ANALISIS DE LA INFLUENCIA DEL RÉGIMEN DE NEUTRO EN LA COMPATIBILIDAD ELECTROMAGNÉTICA EN EDIFICIOS HOSPITALARIOS. PROPUESTA DE UNA NUEVA TECNICA CORRECTORA” PARTE II. ESTADO DEL ARTE tierra, con un valor de paso a tierra lo más bajo posible, y proyectando Dispositivos Diferenciales por Corriente Residual comúnmente llamados DDRs o diferenciales. Tal y como se muestra en el esquema funcional expuesto en la Figura 2.7 se pueden establecer distintos escalones de protección empleando siempre DDRs quedando por tanto garantizada la seguridad mediante la interrupción del suministro eléctrico en caso de un primer fallo de aislamiento en la instalación. En el diagrama funcional aportado se observa como el neutro del transformador de servicio está puesto a tierra y las masas de los receptores eléctricos están conectadas a una toma de tierra independiente la posible corriente de defecto (Id) está limitada por la impedancia de las tomas de tierra únicamente: Id U0 230 Z n Zm Z n Z m Siendo Uo la tensión de fase en suministro, Zn la impedancia de neutro a tierra y Zm la impedancia de masa a tierra. Resultando una tensión de contacto (Uc) que sería (siendo Uo la tensión de alimentación monofásica del sistema, en España 230 V): UC U0 Zm Zn Zm Si Uc es superior a la tensión límite establecida, el DDR entra este dispositivo en acción siempre que la intensidad de defecto (Id) sea: Id UL Rm Resumiendo de forma breve las características de este sistema por tanto tenemos que: - Cada defecto de aislamiento en la instalación provoca una interrupción del suministro eléctrico de forma directa. Un buen diseño (selectivo) de la instalación puede minimizar el impacto para el usuario pero en general le aporta una seguridad elevada con cortes por cada defecto. 46 “ANALISIS DE LA INFLUENCIA DEL RÉGIMEN DE NEUTRO EN LA COMPATIBILIDAD ELECTROMAGNÉTICA EN EDIFICIOS HOSPITALARIOS. PROPUESTA DE UNA NUEVA TECNICA CORRECTORA” PARTE II. ESTADO DEL ARTE - No requiere un control continuo en fase de operación y únicamente se establece como labor de mantenimiento preventiva normativa la vigilancia periódica de los DDRs. - La seguridad se garantiza mediante la propia toma de tierra, con un valor de paso a tierra lo más bajo posible, y proyectando DDRs que también sirven para minimizar el riesgo de incendio cuando hay una regulación complementaria de estos a 300 mA. 47 “ANALISIS DE LA INFLUENCIA DEL RÉGIMEN DE NEUTRO EN LA COMPATIBILIDAD ELECTROMAGNÉTICA EN EDIFICIOS HOSPITALARIOS. PROPUESTA DE UNA NUEVA TECNICA CORRECTORA” PARTE II. ESTADO DEL ARTE Figura 2-7. Esquema funcional de distribución tipo TT. Fuente: Elaboración propia en PROMEC S.A. 48 “ANALISIS DE LA INFLUENCIA DEL RÉGIMEN DE NEUTRO EN LA COMPATIBILIDAD ELECTROMAGNÉTICA EN EDIFICIOS HOSPITALARIOS. PROPUESTA DE UNA NUEVA TECNICA CORRECTORA” PARTE II. ESTADO DEL ARTE 2.2.2 SISTEMA TN. TN-S y TN-C. Los esquemas TN tienen un punto de la alimentación, generalmente el neutro conectado directamente a tierra, de ahí la primera T de su designación (“T”=Conexión directa de un punto de alimentación a tierra) y las masas de la instalación receptora conectadas a dicho punto mediante conductores de protección por lo que aparece la letra N que da nombre al sistema (“N”=Masas conectadas al neutro de la alimentación). Se distinguen tres tipos de esquemas TN según la disposición relativa del conductor neutro y del conductor de protección, y por tanto configura la aparición de la tercera letra mencionada en párrafos anteriores: El esquema TN-S es aquel en el que el conductor neutro y el de protección son distintos en todo el esquema (ver figura 2.8 sacada directamente del documento normativo de referencia) y el esquema TN-C en el que las funciones de neutro y protección están combinados en un solo conductor en todo el esquema (ver figura 2.8). En un tercer esquema, no representado gráficamente, denominado TN-C-S las funciones de neutro y protección están combinadas en un solo conductor en una parte del esquema únicamente estando separado en el resto. Figura 2-8. Esquema simplificado de distribución tipo TN-S y TN-C. Fuente: REBT en su ITC BT 08 El esquema TN-S, aunque presenta distintas ventajas especialmente en redes de cierta longitud y con condicionantes especiales en operación hay “poca cultura” en su diseño y operación, al ser más complejo que el TT en su cálculo inicial y ante modificaciones 49 “ANALISIS DE LA INFLUENCIA DEL RÉGIMEN DE NEUTRO EN LA COMPATIBILIDAD ELECTROMAGNÉTICA EN EDIFICIOS HOSPITALARIOS. PROPUESTA DE UNA NUEVA TECNICA CORRECTORA” PARTE II. ESTADO DEL ARTE futuras de la red. El TN-C como se detallará en el Capítulo 3 no está especialmente indicado para un numeroso tipo de edificaciones. La complicación especialmente proviene de que en los esquemas TN cualquier intensidad de defecto franco fase-masa es una intensidad de cortocircuito. El bucle de defecto está constituido exclusivamente por elementos conductores metálicos ya que el neutro del transformador está puesto a tierra y las masas de los receptores eléctricos están conectadas al neutro. En consecuencia el defecto de aislamiento se transforma en cortocircuito y la parte en defecto es desconectada mediante el relé de corto retardo del interruptor automático. La corriente de defecto (Id) está limitada únicamente por la impedancia de la fuente, del conductor activo y de protección. Id U 0 230 Zs Zs Siendo Uo la tensión de fase en suministro y Zs la impedancia del bucle de defecto. Y es justo en estos cálculos (dependientes de la longitud variable del conductor, del tipo de receptor, etc.) donde radica el “sobretrabajo” exigido en diseño que evita que muchos proyectistas se decanten por el pese a tener ventajas evidentes que se irán viendo a lo largo del presente documento. A nivel constructivo como se ha explicado en el esquema de funcionamiento y funcional es obligatorio interconectar y conectar a tierra las partes conductoras accesibles con el conductor neutro lo que también genera cierto miedo en personal de mantenimiento poco adiestrado en este tipo de sistemas. Entre las características técnicas más relevantes de este sistema (TN-S) tenemos que: - La red de puesta a tierra debe tener un valor de paso a tierra especialmente bajo. - Requiere un proceso de cálculo complejo en fases iniciales de proyecto y verificaciones de disparo (cronométricas y amperimétricas) en fase de puesta en marcha y ante cualquier modificación y/o ampliación de la instalación. - Debido a su configuración proporciona una estabilidad eléctrica importante especialmente en instalaciones con presencia de equipos 50 “ANALISIS DE LA INFLUENCIA DEL RÉGIMEN DE NEUTRO EN LA COMPATIBILIDAD ELECTROMAGNÉTICA EN EDIFICIOS HOSPITALARIOS. PROPUESTA DE UNA NUEVA TECNICA CORRECTORA” PARTE II. ESTADO DEL ARTE informáticos o de cierta relevancia tanto en tamaño como en estabilidad eléctrica. - Requiere un seguimiento en explotación con personal de mantenimiento especializado. 51 “ANALISIS DE LA INFLUENCIA DEL RÉGIMEN DE NEUTRO EN LA COMPATIBILIDAD ELECTROMAGNÉTICA EN EDIFICIOS HOSPITALARIOS. PROPUESTA DE UNA NUEVA TECNICA CORRECTORA” PARTE II. ESTADO DEL ARTE Figura 2-9. Esquema funcional de distribución tipo TN-S. Fuente: Elaboración propia en PROMEC S.A. 52 “ANALISIS DE LA INFLUENCIA DEL RÉGIMEN DE NEUTRO EN LA COMPATIBILIDAD ELECTROMAGNÉTICA EN EDIFICIOS HOSPITALARIOS. PROPUESTA DE UNA NUEVA TECNICA CORRECTORA” PARTE II. ESTADO DEL ARTE 2.2.3 SISTEMA IT El esquema IT no tiene ningún punto de la alimentación conectado directamente a tierra, de ahí la primera I de su designación (“I”=Aislamiento de todas las partes activas de la alimentación con respecto a tierra o conexión de un punto a tierra respecto a través de una impedancia) y además las Masas de la instalación receptora están puestas directamente a tierra, por lo que aparece la segunda letra T que da nombre al sistema (“T”=Masas conectadas a tierra, independientemente de la tierra de la alimentación). El esquema simplificado que aparece en la norma de referencia se muestra en la figura 2.10. adjunta. Figura 2-10. Esquema simplificado de distribución tipo IT. Fuente: REBT en su ITC BT 08 Es la solución que ofrece una mejor disponibilidad de servicio durante el funcionamiento. La indicación del primer defecto de aislamiento, seguida de su localización y despeje de falta, asegura la prevención sistemática de los cortes del suministro. Por eso está especialmente indicada en espacios donde la continuidad del servicio es básica como salas de intervención en ámbito hospitalario (quirófanos, UCI, REA, etc.) o sistemas de seguridad (de protección contra incendios, evacuación, etc.) 53 “ANALISIS DE LA INFLUENCIA DEL RÉGIMEN DE NEUTRO EN LA COMPATIBILIDAD ELECTROMAGNÉTICA EN EDIFICIOS HOSPITALARIOS. PROPUESTA DE UNA NUEVA TECNICA CORRECTORA” PARTE II. ESTADO DEL ARTE En este esquema la intensidad resultante de un primer defecto fase-masa o fase-tierra, tiene un valor lo suficientemente reducido como para no provocar la aparición de tensiones de contacto peligrosas. Tal y como marca el reglamento la limitación del valor de la intensidad resultante de un primer defecto fase-masa o fase tierra se obtiene bien por la ausencia de conexión a tierra en la alimentación, o bien por la inserción de una impedancia suficiente entre un punto de la alimentación (generalmente el neutro) y tierra. Como el neutro del transformador no está conectado a tierra, teóricamente está aislado, está conectado a tierra por las capacidades parásitas de la red y /o por una impedancia de alto valor (neutro impedante) y como las masas de los receptores eléctricos están conectadas a tierra, si se produce un primer defecto de aislamiento, se desarrolla una pequeña corriente debida a las capacidades parásitas de la red. La tensión desarrollada en la toma de tierra de las masas (a lo sumo unidades de voltios) no presenta peligro. Si aparece un segundo defecto cuando el primer defecto no ha sido aún eliminado, se produce un cortocircuito y serán los dispositivos de protección contra cortocircuito quienes aseguran la protección necesaria. Las masas de los receptores implicados se llevan al potencial desarrollado por la corriente de defecto en su conductor de protección (PE) tal y como se muestra en el esquema funcional aportado en la figura 2.13. 54 “ANALISIS DE LA INFLUENCIA DEL RÉGIMEN DE NEUTRO EN LA COMPATIBILIDAD ELECTROMAGNÉTICA EN EDIFICIOS HOSPITALARIOS. PROPUESTA DE UNA NUEVA TECNICA CORRECTORA” PARTE II. ESTADO DEL ARTE Figura 2-11. Cuadro con vigilantes de aislamiento y transformadores de aislamiento para UVI. Fuente: Elaboración propia (Hospital de Burgos) A nivel constructivo se suele proyectar un transformador propio (ver figura 2-11) desde cabecera para la alimentación de las cargas o sistemas alimentados específico para ellas e incluso transformadores de separación de circuitos para cargas muy específicas o con corriente de fuga alta. Entre las características técnicas más relevantes de este sistema (IT) tenemos que: Requiere mucho mantenimiento y supervisión en la etapa de explotación. En la figura 2-12 se muestra un ejemplo de redes equipotenciales en un quirófano sujetas a la inspección periódica de continuidad entre otras evaluaciones normativas requeridas. Es un sistema de aporta altísima disponibilidad al usuario. Por tanto como se detallará en el Capítulo 3 para las instalaciones eléctricas en Salas de Intervención en complejos hospitalarios, el esquema IT es de obligado cumplimiento. 55 “ANALISIS DE LA INFLUENCIA DEL RÉGIMEN DE NEUTRO EN LA COMPATIBILIDAD ELECTROMAGNÉTICA EN EDIFICIOS HOSPITALARIOS. PROPUESTA DE UNA NUEVA TECNICA CORRECTORA” PARTE II. ESTADO DEL ARTE La intensidad resultante en un primer defecto, tiene un valor lo suficientemente reducido como para no provocar la aparición de tensiones de contacto peligrosas para el usuario de la instalación. Figura 2-12. Redes equipotenciales en quirófano para sistema tipo IT. Fuente: Elaboración propia (Hospital de Burgos) 56 “ANALISIS DE LA INFLUENCIA DEL RÉGIMEN DE NEUTRO EN LA COMPATIBILIDAD ELECTROMAGNÉTICA EN EDIFICIOS HOSPITALARIOS. PROPUESTA DE UNA NUEVA TECNICA CORRECTORA” PARTE II. ESTADO DEL ARTE Figura 2-13. Esquema funcional de distribución tipo IT. Fuente: Elaboración propia en PROMEC S.A. 57 “ANALISIS DE LA INFLUENCIA DEL RÉGIMEN DE NEUTRO EN LA COMPATIBILIDAD ELECTROMAGNÉTICA EN EDIFICIOS HOSPITALARIOS. PROPUESTA DE UNA NUEVA TECNICA CORRECTORA” PARTE II. ESTADO DEL ARTE 2.3 COMPARATIVA DE LAS CARÁCTERÍSTICAS FUNDAMENTALES DESDE EL PUNTO DE VISTA ELÉCTRICO Los regímenes de neutro actualmente se encuentran regulados por diferentes normas en el ámbito nacional e internacional tal y como se estudiará en detalle en el Capítulo 3 del de este documento. No obstante a nivel general conviene hacer una serie de reflexiones previas basadas en la experiencia de diseño y contrastadas por gran parte de la bibliografía referenciada sobre la conveniencia en cada caso concreto de la selección de un sistema de régimen de neutro u otro. Si establecemos unos criterios generales de clasificación podemos concluir que: Para el usuario los criterios de elección siempre están claros primando: - La seguridad frente a accidentes eléctricos. La mayor o menor capacidad de continuidad del suministro eléctrico. La mantenibilidad o complejidad del mantenimiento de la instalación. Por tanto la selección del régimen de neutro seleccionado debe perseguir la seguridad, disponibilidad, fiabilidad y mantenibilidad adecuada de la instalación en la que se implemente. Aunque es posible combinar distintos esquemas en la misma instalación (con distribuciones en serie o de tipo radial) siempre hay que tener presentes las consideraciones normativas y técnicas para un correcto funcionamiento de las protecciones eléctricas diseñadas para el funcionamiento conjunto de la instalación. En términos de SEGURIDAD, entendiendo como tal la protección del usuario frente a choque eléctrico, todos los sistemas son equivalentes si se diseñan adecuadamente. Si bien se escoge el sistema TT habitualmente por su facilidad de cálculo y montaje y por llevar asociado protección diferencial mediante DDRs en todos los escalones de protección el resto de sistemas permiten, en la zona de ocupación del usuario, disponer de soluciones equivalentes que minimicen el riesgo frente a fallos de aislamiento. Si ampliamos el concepto de seguridad a las condiciones de exposición del usuario ante un posible fallo sí que es resaltable que en el esquema TT las tensiones de contacto (U L) pueden ser especialmente bajas si existen redes equipotenciales especialmente densas que permitan lograr tensiones de paso a tierra bajas. Así mismo, como se ha comentado anteriormente, el sistema IT provoca corrientes de defecto ante un primer fallo de aislamiento especialmente bajas. Es por estos motivos que en muchos de los manuales referenciados se decantan por los sistemas TT e IT cuando se habla de seguridad para el 58 “ANALISIS DE LA INFLUENCIA DEL RÉGIMEN DE NEUTRO EN LA COMPATIBILIDAD ELECTROMAGNÉTICA EN EDIFICIOS HOSPITALARIOS. PROPUESTA DE UNA NUEVA TECNICA CORRECTORA” PARTE II. ESTADO DEL ARTE usuario pero no hay que olvidar como se ha expuesto anteriormente que un sistema TN-S en su último escalón de protección (el de “acceso” al usuario) también se diseña por DDRs y que el cuidado en las redes equipotenciales terminales puede también extremarse. Por otro lado si englobamos en el ámbito de la seguridad la protección contra el incendio sí que hay una primera diferencia sustancial ya que el sistema TN-C está desaconsejado si se quiere minimizar el riesgo e incluso prohibido como se verá en epígrafes siguientes en instalaciones con riesgo de explosión. La elevada corriente de fuga que puede transitar en este sistema lo hace incompatible con evitar por diseño las condiciones de inicio de un incendio que se pueden establecer en 300 mA en la normativa nacional o 500 mA en algunos de los países vecinos. Si bien el sistema TN-S también soporta mayores corrientes de defecto la separación del conductor de protección con el neutro de la instalación en los puntos de carga permite un control eficaz de sus valores máximos en las zonas más sensibles que hacen compatible su uso incluso en ambientes con riesgo de explosión. En términos de DISPONIBILIDAD entendida esta como interrupción del servicio ante la aparición de un primer fallo de aislamiento el más adecuado sin duda es el IT como se ha expuesto con anterioridad ya que sólo el esquema IT evita el disparo de protecciones en caso de que se produzca el mismo. En esa línea y como se explicará posteriormente resulta sorprendente que la reglamentación nacional deje a criterio del proyectista el sistema de puesta a tierra de la instalación de alimentación a equipos de seguridad (grupos de presión de incendios, sistemas de evacuación de humos, sistemas de presurización diferencial de espacios protegidos, ascensores de emergencia y un largo etcétera) cuando técnicamente podría estar resuelto por diseño la ininterrumpibilidad del servicio con la simple obligación normativa de implementar un sistema IT en estos servicios. Esta situación normativa no existe en otros países de nuestro entorno. En un segundo escalón se encontraría el sistema TN y por último el TT. En este punto es interesante reflexionar que nuestras instalaciones en la época actual cada vez están más dotadas de electrónica y la red eléctrica sufre problemas asociados que tiempo atrás no eran tan relevantes ya sean asociados a armónicos o a la existencia de corrientes de fuga en dispositivos. La regulación electrónica de las lámparas de distintas tecnologías por temas de ahorro energético y la inclusión para ello de balastos electrónicos, los sistemas de regulación de motores en sistemas hidráulicos, de aire acondicionado o industriales entre otras causas hace que las fugas en la red sean notable y si bien, en los primeros escalones de protección los sistemas deben despejar la falta, aguas arriba de la red la convivencia con una elevada corriente de defecto es viable con un sistema TN-S por eso, entre otras razones, se hace especialmente interesante su implementación en un ámbito hospitalario como en el de la presente tesis o en edificaciones con alta disponibilidad. En 59 “ANALISIS DE LA INFLUENCIA DEL RÉGIMEN DE NEUTRO EN LA COMPATIBILIDAD ELECTROMAGNÉTICA EN EDIFICIOS HOSPITALARIOS. PROPUESTA DE UNA NUEVA TECNICA CORRECTORA” PARTE II. ESTADO DEL ARTE un sistema TN-S la regulación de los dispositivos de protección con un adecuado tarado de los relé de corto retardo del interruptor automático la permiten. En términos de MANTENIMIENTO de la red surgen muchos matices en función de la óptica que se le aplique al concepto. Se pueden listar una serie de puntos que afectan al mantenimiento siempre descartando los daños que pueda causar un fallo eléctrico severo que “maltrataría” a todos los sistemas por igual al abocarlos a un gasto de reposición no contemplado normalmente en la explotación del inmueble. Así por ejemplo si atendemos a criterios de rápida localización de un defecto es muy rápida en sistemas TN ya que la acción de los dispositivos de protección frente a sobre intensidades lo es. En ese contexto un sistema TT ofrece prestaciones similares ya que los DDRs también tienen un comportamiento análogo. En este punto el IT generaría mayores tiempos de espera. No obstante si evaluamos la capacidad de evaluación de la instalación (análisis preventivo) el sistema IT al disponer de vigilantes de aislamiento de medición continua tomaría ligera ventaja frente a los otros sistemas de mayor laboriosidad en este punto. Por último en términos de FIABILIDAD entendida como comportamiento de la red en el largo plazo es decir evaluación de la continuidad del suministro y existencia de tensión de alimentación así como calidad de la onda transportada (forma, frecuencia, etc.) y no como seguridad en operación, mas vinculado al corto plazo, y ya comentada anteriormente. En este punto y a igualdad de comportamiento de los elementos de la red sí que se pueden concretar una serie de puntos: - En sistema TT tiene su punto débil en las sobretensiones que puede trasmitir a los receptores debidas a un defecto en el transformador de alimentación. La no conexión entre ambas tierras puede provocar tensiones electrodinámicas puntuales muy elevadas. - Hay casos documentados de que el sistema TN-C puede deteriorarse en redes con un alto grado de distorsión armónica previsiblemente por el calentamiento asociado a este defecto. - El TN-S podría considerarse como el sistema más fiable en general, solo se podría ver alterada la misma por la falta de rigor en la realización de ampliaciones como se ha justificado anteriormente. 60 “ANALISIS DE LA INFLUENCIA DEL RÉGIMEN DE NEUTRO EN LA COMPATIBILIDAD ELECTROMAGNÉTICA EN EDIFICIOS HOSPITALARIOS. PROPUESTA DE UNA NUEVA TECNICA CORRECTORA” PARTE II. ESTADO DEL ARTE Si aparte de los puntos eminentemente eléctricos expuestos nos centramos brevemente en términos de COSTES la bibliografía de referencia es difusa e incluso en algunos casos contradictoria por lo que si nos basamos en la experiencia en contrataciones de ámbito estatal en el proyecto de edificios con distintos regímenes de neutro tenemos que: - La instalación de un sistema TN-S es la más barata. La eliminación de los dispositivos DDR en gran parte de los escalones de protección y la configuración de líneas y cuadros asociados hace que el proyecto final y la obra asociada tenga menor coste. - La instalación del IT es algo más cara al llevar componentes auxiliares como los vigilantes de tensión o los trasformadores de aislamiento que complican el plazo de ejecución y el tipo de equipos a ejecutar. - La instalación del TT sería la más costosa, sobre todo si se instalan en número suficiente DDR selectivos e implementa una topología de red adecuada para mantener los escalones de protección de forma adecuada. El coste en aparamenta, cuadros y líneas para ello lo convierte en una alternativa costosa. Por tanto y a modo de resumen no hay un sistema de puesta a tierra óptimo en si mismo sino que depende de numerosos criterios para una correcta elección. En cierto número de países, para algunas instalaciones o parte de ellas, la elección está impuesta por el legislador o el normalizador como se abordará en el capítulo siguiente concretando ya que sistemas pueden ser más adecuados en cada caso en función de los distintos criterios vistos. En concreto y como se ha ido exponiendo en puntos anteriores el Hospital de referencia considerado como ejemplo para el cálculo y verificación de las hipótesis marcadas, el Nuevo Hospital Universitario de Burgos, se ha diseñado con un sistema TN-S ya que las ventajas eléctricas que este sistema aporta a la instalación son las siguientes: - No es preceptivo el empleo de DDRs (diferenciales) desde el hasta los cuadros secundarios como se ha explicado en anteriores. La protección contra contactos indirectos se mediante el ajuste de los disparadores de “corto retardo” interruptores de máxima corriente. 61 CGBT puntos realiza de los “ANALISIS DE LA INFLUENCIA DEL RÉGIMEN DE NEUTRO EN LA COMPATIBILIDAD ELECTROMAGNÉTICA EN EDIFICIOS HOSPITALARIOS. PROPUESTA DE UNA NUEVA TECNICA CORRECTORA” PARTE II. ESTADO DEL ARTE - Se evita el “ disparo intempestivo ” de cabecera (de 30mA) reduciéndolo a valores inferiores al 10% de los esperados en un sistema TT. - Se cumple rigurosamente con la ITC-BT-38 del REBT en su punto 2.1.4 para líneas de alimentación a paneles de aislamiento donde no se permiten los DDRs como protección contra contactos indirectos. - La solución técnica que aporta el TN-S es más económica que la TT y, por los puntos anteriormente indicados, garantiza en mayor grado la continuidad del suministro eléctrico en el Hospital. 62 “ANALISIS DE LA INFLUENCIA DEL RÉGIMEN DE NEUTRO EN LA COMPATIBILIDAD ELECTROMAGNÉTICA EN EDIFICIOS HOSPITALARIOS. PROPUESTA DE UNA NUEVA TECNICA CORRECTORA” PARTE II. ESTADO DEL ARTE 3 CAPÍTULO 3: NORMATIVA DE APLICACIÓN RELATIVA AL RÉGIMEN DE NEUTRO. Como se ha explicado en epígrafes anteriores se va a proceder en este tercer capítulo a hacer un resumen de las distintas normas nacionales e internacionales referentes a los sistema de puesta a tierra con el objetivo de fijar puntos comunes que permitan establecer una correspondencia entre tipología de edificio y régimen de neutro más adecuado. En base a este análisis y el presentado en el capítulo 2 de carácter bibliográfico se pasará en el capítulo 6 a establecer el cambio normativo propuesto y ya explicado en la metodología y posteriormente en conclusiones. 63 “ANALISIS DE LA INFLUENCIA DEL RÉGIMEN DE NEUTRO EN LA COMPATIBILIDAD ELECTROMAGNÉTICA EN EDIFICIOS HOSPITALARIOS. PROPUESTA DE UNA NUEVA TECNICA CORRECTORA” PARTE II. ESTADO DEL ARTE 3.1 TRATAMIENTO NORMATIVO DE LOS REGÍMENES DE NEUTRO EN ESPAÑA 3.1.1 REGLAMENTO ELECTROTÉCNICO PARA BAJA TENSIÓN E INSTRUCCIONES TÉCNICAS COMPLEMENTARIAS El Reglamento Electrotécnico para Baja Tensión (REBT), aprobado en Real Decreto 842/2002 el 2 de agosto de 2002, dispone en relación a los sistemas de conexión a tierra del Neutro, las siguientes Instrucciones Técnicas Complementarias (ITCs): En la ITC-BT-08 se tratan los sistemas de conexión del Neutro y de las masas en las redes de distribución. En la ITC-BT-24 se define la protección contra contactos indirectos, en función de los diferentes esquemas. 3.1.1.1 Instrucción Técnica Complementaria nº8 (ITC-BT-08), “Sistemas de conexión del Neutro y de las masas en las redes de distribución de energía eléctrica” Los esquemas de distribución se establecen en función de las conexiones a tierra de la red de distribución o de la alimentación, por un lado, y de las masas de la instalación receptora, por otro. La denominación se realiza con un código de letras con el significado siguiente según se ha explicado en epígrafes anteriores: PRIMERA LETRA: Situación de la alimentación con respecto a tierra. T = Conexión directa del conductor neutro a Tierra. I = Aislamiento de todas las partes activas de la alimentación con respecto a tierra o conexión del conductor neutro a través de una Impedancia de puesta a tierra. SEGUNDA LETRA: Situación de las masas de la instalación receptora con respecto a tierra T = Masas conectadas a Tierra, independiente de la tierra de la alimentación. N = Masas conectadas al Neutro de la alimentación. 64 “ANALISIS DE LA INFLUENCIA DEL RÉGIMEN DE NEUTRO EN LA COMPATIBILIDAD ELECTROMAGNÉTICA EN EDIFICIOS HOSPITALARIOS. PROPUESTA DE UNA NUEVA TECNICA CORRECTORA” PARTE II. ESTADO DEL ARTE TERCERA LETRA (eventual): Situación relativa del conductor neutro y de protección. S = Conductor neutro (N) y de protección (CP) Separados. C= Las funciones de neutro y de protección están combinadas con un solo conductor Común (conductor CPN). En función de la codificación anterior, el REBT define los siguientes esquemas: Esquemas TN (TN-C, TN-C-S y TN-S) Esquema TT. Esquema IT. En REBT indica que la elección de uno de los tres esquemas debe hacerse en función de las características técnicas y económicas de cada instalación, pero que sin embargo hay que tener en cuenta los siguientes principios: a) El esquema de distribución para instalaciones interiores receptoras alimentadas directamente de una red de distribución pública de baja tensión es el esquema TT. b) En instalaciones alimentadas en baja tensión, a partir de un centro de transformación de abonado, se podrá elegir cualquiera de los tres esquemas citados. c) Puede establecerse un esquema IT en parte o partes de una de una instalación alimentada directamente de una red de distribución pública mediante el uso de transformadores adecuados. d) Las instalaciones eléctricas en Quirófanos o Salas de Intervención deben disponer de transformador de aislamiento, bajo sistema IT, según se indica en la ITC-BT-38. e) En la ITC-BT-28 se indica que para la alimentación de los Servicios de Seguridad, se deberá elegir preferentemente medidas de protección contactos indirectos sin corte automático al primer defecto, es decir un esquema IT con controlador permanente de aislamiento. En definitiva, salvo en las instalaciones interiores receptoras alimentadas directamente de una red de distribución pública, en donde se exige el esquema TT, en el resto de instalaciones (salvo las Salas de Intervención y Servicios de Seguridad), el REBT permite disponer de cualquier régimen de neutro bajo sus correspondientes características de 65 “ANALISIS DE LA INFLUENCIA DEL RÉGIMEN DE NEUTRO EN LA COMPATIBILIDAD ELECTROMAGNÉTICA EN EDIFICIOS HOSPITALARIOS. PROPUESTA DE UNA NUEVA TECNICA CORRECTORA” PARTE II. ESTADO DEL ARTE diseño. Sin embargo, el esquema TT es el más extendido en España en todos los tipos de edificios, dado que es el más sencillo de calcular y ejecutar en la instalación eléctrica, pese a que haya esquemas de conexión que sean más adecuado por razones de seguridad, continuidad de suministro o compatibilidad electromagnética. 3.1.1.2 Instrucción Técnica Complementaria nº24 (ITC-BT-24), “Instalaciones interiores o receptoras. Protección contra los contactos directos e indirectos” En el esquema TN pueden utilizarse los dispositivos de protección siguientes: Dispositivos de protección de máxima corriente, tales como fusibles, interruptores automáticos. Dispositivos de protección de corriente diferencial-residual (diferenciales). Para el esquema TN y según el punto 4.1.1 de la ITC-BT-24, las características de los dispositivos de protección y las secciones de los conductores que se eligen, deben cumplir la condición siguiente: Zs I a U o donde, - Zs es la impedancia de bucle, comprendiendo la fuente, la línea hasta el punto de defecto y el conductor de protección desde el punto de defecto hasta la fuente. - Ia corriente que asegura el funcionamiento del dispositivo de corte automático en un tiempo máximo igual al definido en la tabla para tensión nominal U0. En caso de utilización de un dispositivo de corriente diferencial-residual la corriente diferencial asignada. - Uo es la tensión nominal entre fase y tierra, valor eficaz en corriente alterna. 66 “ANALISIS DE LA INFLUENCIA DEL RÉGIMEN DE NEUTRO EN LA COMPATIBILIDAD ELECTROMAGNÉTICA EN EDIFICIOS HOSPITALARIOS. PROPUESTA DE UNA NUEVA TECNICA CORRECTORA” PARTE II. ESTADO DEL ARTE Uo (V) 230 400 >400 MÁXIMO TIEMPO DE DESCONEXIÓN (s) 0,40 0,20 0,10 En el esquema TT, se utilizan los dispositivos de protección siguientes: - Dispositivos de protección de corriente diferencial-residual. - Dispositivos de protección de máxima corriente, tales como fusibles, interruptores automáticos. Estos dispositivos son aplicables cuando la resistencia RA tiene un valor muy bajo. Para el esquema TT y según el punto 4.1.2 de la ITC-BT-24, se debe cumplir la siguiente expresión: RA Ia U donde, - RA es la suma de las resistencias de la toma de tierra y de los conductores de protección de masas. - Ia es la corriente que asegura el funcionamiento automático del dispositivo de protección. Cuando el dispositivo de protección es un dispositivo de corriente diferencial-residual es la corriente diferencial-residual asignada. - U es la tensión de contacto límite convencional (50, 24V u otras, según los casos). Cuando el dispositivo de protección es un dispositivo de protección contra sobreintensidades, debe ser: Bien un dispositivo que posea una característica de funcionamiento de tiempo inverso e Ia debe ser la corriente que asegure el funcionamiento automático en 5s como máximo. 67 “ANALISIS DE LA INFLUENCIA DEL RÉGIMEN DE NEUTRO EN LA COMPATIBILIDAD ELECTROMAGNÉTICA EN EDIFICIOS HOSPITALARIOS. PROPUESTA DE UNA NUEVA TECNICA CORRECTORA” PARTE II. ESTADO DEL ARTE O bien un dispositivo que posea una característica de funcionamiento instantánea e Ia debe ser la corriente que asegura el funcionamiento instantáneo. En el esquema IT, se utilizan los dispositivos de protección siguientes: Controladores permanentes de aislamiento. Dispositivos de protección de máxima corriente, tales como fusibles, interruptores automáticos. Para el esquema IT y según el punto 4.1.3 de la ITC-BT-24, se debe cumplir la siguiente expresión: RA Id UL donde, RA es la suma de las resistencias de toma de tierra y de los conductores de protección de las masas. Id es la corriente de defecto en caso de un primer defecto franco de baja impedancia entre un conductor de fase y una masa. Este valor tiene en cuenta las corrientes de fuga y la impedancia global de puesta a tierra de la instalación eléctrica. UL es la tensión de contacto límite convencional (50, 24V u otras, según los casos). La ITC-BT-24 hace referencia a la norma UNE-20460-4-41, que ha sido anulada y sustituida por la norma UNE-HD 60364-4-41, fruto de la armonización con la norma IEC del mismo código. 68 “ANALISIS DE LA INFLUENCIA DEL RÉGIMEN DE NEUTRO EN LA COMPATIBILIDAD ELECTROMAGNÉTICA EN EDIFICIOS HOSPITALARIOS. PROPUESTA DE UNA NUEVA TECNICA CORRECTORA” PARTE II. ESTADO DEL ARTE 3.1.2 NORMA UNE-60.634 Inicialmente las normas UNE que definían los regímenes de neutro y sus sistemas de protecciones eran: UNE-20460-3-31: “Instalaciones eléctricas en edificios. Determinación de las características generales”. UNE-20460-4-41: “Instalaciones eléctricas en edificios. Protección para garantizar la seguridad. Protección contra los choques eléctricos”. Sin embargo y consecuencia de una armonización de las normas UNE con las normas IEC, las que actualmente están es vigor son: UNE-HD-60364-1: “Instalaciones eléctricas de baja tensión. Principios fundamentales, determinación de las características generales, definiciones”. UNE-HD-60364-4-41: “Instalaciones eléctricas en edificios. Protección para garantizar la seguridad. Protección contra los choques eléctricos”. 3.1.2.1 UNE-HD-60364-1: “Instalaciones eléctricas de baja tensión. Principios fundamentales, determinación de las características generales, definiciones” Indicar que esta norma se aplica al diseño, montaje y a las verificaciones de las instalaciones eléctricas tales como edificios residenciales, comerciales, públicos e industriales, hasta una tensión nominal como máximo igual a 1.000V, en corriente alterna compatible con el ámbito de aplicación del REBT en vigor. Esta norma no se aplica a: a) Equipos de tracción eléctrica. b) Equipos eléctricos de automóviles. c) Instalaciones eléctricas en barcos y plataformas marítimas fijas o móviles. d) Instalaciones eléctricas en aeronaves. 69 “ANALISIS DE LA INFLUENCIA DEL RÉGIMEN DE NEUTRO EN LA COMPATIBILIDAD ELECTROMAGNÉTICA EN EDIFICIOS HOSPITALARIOS. PROPUESTA DE UNA NUEVA TECNICA CORRECTORA” PARTE II. ESTADO DEL ARTE e) Instalaciones de alumbrado público que forman parte de la red pública de distribución. f) Instalaciones en minas y canteras. Los tipos de esquemas de conexión a tierra que se tienen en cuenta, dentro del ámbito de esta norma son: Esquema TN de una sola fuente (TN-S, TN-C-S y TN-C). Esquema TN con múltiples fuentes. Se hace una advertencia en este aspecto interesante, y es que en el caso de un diseño improvisado de una instalación que forma parte de un esquema TN, que tiene fuentes múltiples, una parte de la corriente puede evacuarse por circuitos no previstos. Estas corrientes pueden ser origen de: Incendios. Corrosión. Interferencias electromagnéticas. Esquema TT con una sola fuente. Esquema TT con fuentes múltiples. Esquema IT. Además se hace referencia a los esquemas de conexión a tierra en corriente continua. 3.1.2.2 UNE-HD-60364-4-41: “Instalaciones eléctricas en edificios. Protección para garantizar la seguridad. Protección contra los choques eléctricos”. Esta norma define los tiempos de corte máximo especificados en función del esquema de distribución, en caso de producirse una falta de impedancia despreciable entre una parte activa y una masa o un conductor de protección. La norma indica las características de los dispositivos de protección y las impedancias de los circuitos, en función de cada uno de los esquemas de conexión a tierra: 70 “ANALISIS DE LA INFLUENCIA DEL RÉGIMEN DE NEUTRO EN LA COMPATIBILIDAD ELECTROMAGNÉTICA EN EDIFICIOS HOSPITALARIOS. PROPUESTA DE UNA NUEVA TECNICA CORRECTORA” PARTE II. ESTADO DEL ARTE En el esquema TN, pueden ser utilizados: Dispositivos de protección contra sobreintensidades. Dispositivos de protección diferencial con corriente diferencial residual (DDR) En un esquema TN-C no pueden emplearse DDRs En el esquema TT los dispositivos diferenciales (DDRs), deben ser utilizados para la protección en caso de falta. Los dispositivos de protección contra sobreintensidades pueden ser utilizados si está garantizado de forma permanente y fiable, un valor pequeño apropiado de Zs. En el esquema IT pueden ser utilizados: Controladores de aislamiento. Dispositivos de supervisión de las corrientes diferenciales. Controladores de emplazamiento de falta. Dispositivos de protección contra sobreintensidades. Dispositivos de protección de corriente residual. 71 “ANALISIS DE LA INFLUENCIA DEL RÉGIMEN DE NEUTRO EN LA COMPATIBILIDAD ELECTROMAGNÉTICA EN EDIFICIOS HOSPITALARIOS. PROPUESTA DE UNA NUEVA TECNICA CORRECTORA” PARTE II. ESTADO DEL ARTE 3.1.3 GUÍAS DE DISEÑO DE CARÁCTER AUTONÓMICO Y NORMAS UNE COMPLEMENTARIAS 3.1.3.1 Guía de esquemas de suministro y sistemas de distribución en Centros Hospitalarios. SACYL (Servicio de Salud de Castilla y León) En esta directriz del Servicio Regional de Salud de Castilla y León se indica: En las Salas de Intervención y Quirófanos debe emplearse el esquema IT, como es preceptivo por el REBT. Se desaconseja el empleo del esquema TN-C en Centros Hospitalarios. 3.1.3.2 Norma UNE-20460-7-71 La Norma UNE-20460-7-71, “Instalaciones eléctricas en edificios. Reglas para instalaciones y emplazamientos especiales. Locales de uso médico”, en el apartado 312.2, indica que la utilización del sistema TN-C no está autorizada en edificios que contengan locales de uso médico. 3.1.3.3 Norma UNE-EN 50310 La Norma UNE-EN 50310, “Aplicación de la unión equipotencial y de la puesta a tierra en edificios con equipos de tecnología de la información”, realiza un estudio sobre las configuraciones de los sistemas de distribución de electricidad, en relación con la compatibilidad electromagnética (CEM), cuyas conclusiones principales se resumen a continuación: 72 “ANALISIS DE LA INFLUENCIA DEL RÉGIMEN DE NEUTRO EN LA COMPATIBILIDAD ELECTROMAGNÉTICA EN EDIFICIOS HOSPITALARIOS. PROPUESTA DE UNA NUEVA TECNICA CORRECTORA” PARTE II. ESTADO DEL ARTE Instalación Interior Observaciones TN-S (*) Mejor sistema de distribución de electricidad en relación con la CEM TN-C No recomendado por razones de CEM TN-C-S No recomendado por razones de CEM CEM cubierta para instalaciones interiores de tecnología de la información. TT CEM no cubierta para interconexión de edificios. Tabla 3-1 – Resumen UNE-EN 50310. (*) Los sistemas TN-S para distribución se emplean para ser aplicados entre edificios o instalaciones donde se requiera una calidad de CEM elevada, respecto a las necesidades de funcionamiento. Algunos ejemplos son los grupos de edificios con redes de cable para servicios interactivos, los hospitales, las estaciones de radiodifusión y las emisoras, así como los centros de telecomunicación. 73 “ANALISIS DE LA INFLUENCIA DEL RÉGIMEN DE NEUTRO EN LA COMPATIBILIDAD ELECTROMAGNÉTICA EN EDIFICIOS HOSPITALARIOS. PROPUESTA DE UNA NUEVA TECNICA CORRECTORA” PARTE II. ESTADO DEL ARTE 3.2 TRATAMIENTO NORMATIVO DE LOS REGÍMENES DE NEUTRO EN EL EXTRANJERO En lo referido al régimen de neutro se han analizado las siguientes normas y reglamentos internacionales: - Código Eléctrico Nacional Americano (NEC), “National Electrical Code), NFPA-70” Norma Francesa, “Installations électriques á base tensión, NFC 15 100” Reglamento Eléctrico Portugués, “Regras Técnicas das Instalações Eléctricas de Baixa Tensão, RTIEBT”. Regulación Eléctrica Británica, “IEE Wiring Regulations, BS7671”. Normas IEC de la Comisión Electrotécnica Internacional, “IEC 60364, Electrical Installations for Buildings” Se puede concluir que existen dos grandes corrientes: Las normativas que se rigen por la IEC 60364 de la Comisión Electrotécnica Internacional, entre las cuales están: El Reglamento Electrotécnico de Baja Tensión español. El Reglamento Eléctrico portugués. La norma francesa. Las normas elaboradas por la National Fire Protection Assotiation (NFPA) y dentro del cual está el Código Eléctrico Nacional (NEC) de Estados Unidos, Colombia, México, Venezuela, Costa Rica y Panamá, entre otros países. El NEC da indicaciones claras sobre la forma de diseñar e instalar, mientras que la IEC 60364 sólo proporciona una guía, es por ello que cada país aún acogiéndose a la IEC 60364 dispone de un Reglamento Electrotécnico propio, con reglas de diseño e instalación. Por otro lado, el NEC realiza actualizaciones y revisiones cada tres años, mientras que la IEC 60364 no tiene estipuladas revisiones regulares. 74 “ANALISIS DE LA INFLUENCIA DEL RÉGIMEN DE NEUTRO EN LA COMPATIBILIDAD ELECTROMAGNÉTICA EN EDIFICIOS HOSPITALARIOS. PROPUESTA DE UNA NUEVA TECNICA CORRECTORA” PARTE II. ESTADO DEL ARTE 3.2.1 NEC (NATIONAL ELECTRICAL CODE) DE ESTADOS UNIDOS El NEC no clasifica los regímenes de neutro dando una codificación con hasta tres letras, tal y como hace la IEC 60364, sino que el NEC define únicamente dos sistemas: En el artículo 250.4 (A) se definen los sistemas sólidamente puestos a tierra, que serían equivalentes al esquema TN según IEC 60364. En el artículo 250.4 (B) se detallan los sistemas aislados de tierra, que serían equivalentes al esquema IT según IEC 60364. En el artículo 250.26 se define el conductor que se debe poner a tierra. En definitiva el NEC cubre los sistemas TN, TN-C, TN-C-S y prohíbe el régimen TT, a diferencia de la IEC 60364 que sí permite el régimen de neutro TT. 3.2.1.1 Sistemas sólidamente puestos a tierra Según el artículo 250.20 (B), los sistemas de corriente alterna de 50 a 1.000V estarán puestos a tierra en cualquiera de los casos siguientes: (1) Cuando el sistema pueda ser puesto a tierra, de tal manera que la tensión máxima a tierra de los conductores activos no sea mayor a 150V. (2) Cuando el sistema es en conexión en estrella, 3 fases, 4 hilos, y se una el neutro como conductor del circuito. (3) Cuando el sistema es en conexión en triángulo (delta), 3 fases, 4 hilos, en los cuales el punto medio de una fase se usa como un conductor del circuito. El conductor a ser conectado a tierra en los sistemas de cableado de corriente alterna se especificará de la siguiente manera: (1) Una fase, 2 hilos- un conductor. (2) Una fase, 3 hilos-conductor neutro. (3) Sistemas polifásicos con un hilo común para todas las fases – el conductor común. (4) Sistemas polifásicos donde una de las fases está conectada a tierra – un conductor de fase. (5) Sistemas polifásicos en el cual una fase se utiliza como en (2) – el conductor neutro. 75 “ANALISIS DE LA INFLUENCIA DEL RÉGIMEN DE NEUTRO EN LA COMPATIBILIDAD ELECTROMAGNÉTICA EN EDIFICIOS HOSPITALARIOS. PROPUESTA DE UNA NUEVA TECNICA CORRECTORA” PARTE II. ESTADO DEL ARTE 3.2.1.2 Sistemas con neutro de alta impedancia Se permitirá instalar (250.36) sistemas con neutro de alta impedancia conectados a tierra, en los cuales la impedancia de puesta a tierra es generalmente una resistencia que limita la corriente de falla a tierra a un valor, en sistemas trifásicos de 480 Voltios a 1000 V, bajo las siguientes condiciones: (1) Las condiciones de mantenimiento y supervisión aseguran que sólo personal cualificado atiende a las instalaciones. (2) Se requiere continuidad del servicio. (3) Se encuentran instalados detectores de falla a tierra en el sistema. (4) No existen cargas conectadas fase a neutro. En la Sección 517 Centros Médicos, se indica que los sistemas de protección separada se deben emplear en Salas de Intervención, sin embargo se considera opcional su uso en las Salas de Cuidados Críticos (517.19 E), a diferencia de lo que ocurre en la ITC-BT-38 del REBT, donde se considera obligatorio instalar sistemas con neutro de alta impedancia en las Unidades de Cuidados Críticos. 76 “ANALISIS DE LA INFLUENCIA DEL RÉGIMEN DE NEUTRO EN LA COMPATIBILIDAD ELECTROMAGNÉTICA EN EDIFICIOS HOSPITALARIOS. PROPUESTA DE UNA NUEVA TECNICA CORRECTORA” PARTE II. ESTADO DEL ARTE 3.2.2 NF C 15 100 DE FRANCIA La normativa francesa NF C 15 100, en el apartado 312, “Types de schémes de distribution” define los regímenes de neutro de la misma forma que se hace en la UNEHD-60364-1: “Instalaciones eléctricas de baja tensión. Principios fundamentales, determinación de las características generales, definiciones”. Los tipos de esquemas de conexión a tierra que se tienen en cuenta, dentro del ámbito de esta norma son: “312.2.1: Schéma TN”. Esquema TN de una sola fuente (TN-S, TN-C-S y TN-C). “312.2.2: Schéma TT”. Esquema TT con una sola fuente. “312.2.3: Schéma IT”. Esquema IT. “312.2.4: Schémas en courant continu”. Esquemas en corriente continua. De la misma forma la norma NFC 15 100, en el apartado 411.3, “Prescriptions pour la protection contre les contacts indirects”, se tratan las medidas de protección para garantizar la protección contra contactos indirectos, en función del régimen de neutro del que se trate. El esquema TN-C está prohibido en locales con riesgo de incendio y explosión, ya que no se pueden instalar DDRs: Punto 424.10: locales con riesgo de explosión (BE3). Punto 422.1.7: locales con riesgo de incendio (BE2). La Norma Francesa, “Installations électriques á base tensión, NFC 15 100”, aborda los esquemas de conexión a tierra del neutro, en las secciones que se detallan a continuación. 3.2.2.1 Sección 312.2: “Tipos de esquemas de conexión a tierra” La normativa francesa NF C 15 100, en el apartado 312.2, “Types de schémes des liaisons á la terre” define los regímenes de neutro de la misma forma que se hace en la UNE-HD-60364-1: “Instalaciones eléctricas de baja tensión. Principios fundamentales, determinación de las características generales, definiciones”. Los tipos de esquemas de conexión a tierra que se tienen en cuenta, dentro del ámbito de esta norma son: 77 “ANALISIS DE LA INFLUENCIA DEL RÉGIMEN DE NEUTRO EN LA COMPATIBILIDAD ELECTROMAGNÉTICA EN EDIFICIOS HOSPITALARIOS. PROPUESTA DE UNA NUEVA TECNICA CORRECTORA” PARTE II. ESTADO DEL ARTE “312.2.1: Schéma TN”. Esquema TN de una sola fuente (TN-S, TN-C-S y TN-C). “312.2.2: Schéma TT”. Esquema TT con una sola fuente. “312.2.3: Schéma IT”. Esquema IT. “312.2.4: Schémas en courant continu”. Esquemas en corriente continua. 3.2.2.2 Sección 411.4: “Schéma TN” En esta sección de la norma se indica que un esquema TN-S y TN-C pueden usarse conjuntamente en una misma instalación, con la condición de que el esquema TN-C se genere a continuación de un TN-S. En esta parte de la norma se detallan gráficamente sobre esquemas, los bucles de defecto en una instalación TN-S y TN-C, para la posterior aplicación de la expresión: Uo Ia Zs donde, Zs es la impedancia de bucle, comprendiendo la fuente, el conductor activo hasta el punto de defecto y el conductor de protección desde el punto de defecto hasta la fuente. Ia corriente que asegura el funcionamiento del dispositivo de corte automático en un tiempo máximo igual al definido en la tabla para tensión nominal U 0. En caso de utilización de un dispositivo de corriente diferencial-residual la corriente diferencial asignada. Uo es la tensión nominal entre fase y tierra, valor eficaz en corriente alterna. En el apartado 411.4.4 de esta misma sección, se indica que los dispositivos válidos para la protección contra contactos indirectos, en un esquema TN, son: Dispositivos de protección contra sobre intensidades (dispositifs de protection contre les surintensités). Dispositivos de protección de corriente residual (dispositifs de protection á courant différentiel-résiduel). También se prohíbe el uso de diferenciales en un esquema TN-C. 78 “ANALISIS DE LA INFLUENCIA DEL RÉGIMEN DE NEUTRO EN LA COMPATIBILIDAD ELECTROMAGNÉTICA EN EDIFICIOS HOSPITALARIOS. PROPUESTA DE UNA NUEVA TECNICA CORRECTORA” PARTE II. ESTADO DEL ARTE 3.2.2.3 Sección 411.5: “Schéma TT” En esta sección se muestra en un esquema, el bucle de defecto del régimen TT. Los dispositivos de protección contra contactos indirectos para el esquema TT, son los dispositivos diferenciales por corriente residual. La expresión que se debe cumplir es la siguiente: R A I AN 50V donde, RA es la suma de las resistencias de la toma de tierra. IAN es la corriente diferencial-residual asignada al dispositivo diferencial. 3.2.2.4 Sección 411.6: “Schéma IT” En esta sección se detallan los siguientes esquemas: Esquema del primer defecto en un esquema IT con tierra aislada. Esquema del primer defecto en un esquema IT con neutro conectado una impedancia de puesta a tierra. Esquema del segundo defecto. Los dispositivos de protección contra contactos indirectos para el esquema IT, son: Controladores permanentes de aislamiento. Dispositivos de protección contra sobreintensidades. Dispositivos de protección de corriente residual. La expresión que se debe cumplir es la siguiente: R A I f 50V . donde, RA es la suma de las resistencias de toma de tierra y de los conductores de protección de las masas. If es la corriente de defecto en caso de un primer defecto franco de baja impedancia entre un conductor de fase y una masa. Este valor tiene en cuenta las corrientes de fuga y la impedancia global de puesta a tierra de la instalación eléctrica. 79 “ANALISIS DE LA INFLUENCIA DEL RÉGIMEN DE NEUTRO EN LA COMPATIBILIDAD ELECTROMAGNÉTICA EN EDIFICIOS HOSPITALARIOS. PROPUESTA DE UNA NUEVA TECNICA CORRECTORA” PARTE II. ESTADO DEL ARTE 3.2.2.5 Otras consideraciones El esquema TN-C está prohibido en locales con riesgo de incendio y explosión, ya que no se pueden instalar DDRs: Punto 424.10: locales con riesgo de explosión (BE3). Punto 422.1.7: locales con riesgo de incendio (BE2). 80 “ANALISIS DE LA INFLUENCIA DEL RÉGIMEN DE NEUTRO EN LA COMPATIBILIDAD ELECTROMAGNÉTICA EN EDIFICIOS HOSPITALARIOS. PROPUESTA DE UNA NUEVA TECNICA CORRECTORA” PARTE II. ESTADO DEL ARTE 3.2.3 REGRAS TÉCNICAS DAS INSTALAÇÕES ELÉCTRICAS DE BAIXA TENSÃO DE PORTUGAL El Reglamento de Baja Tensión de Portugal, denominado Regras Técnicas das Instalações Eléctricas de Baixa Tensão de Portugal (Portaria nº949-A/2006 de 11 de setembro), es uno de los reglamentos más completos en cuanto a la aplicación de los diferentes esquemas de conexión a tierra del neutro. 3.2.3.1 Sección 312: “Tipos de esquemas de distribución” En esta sección se definen los distintos esquemas de distribución, de la misma forma que se hace en la norma IEC 60364. Se detallan los regímenes de neutro habituales: 312.2.1 Esquema TN em corrente alternada (TN-S, TN-C y TN-C-S). 312.2.2 Esquema TT em corrente alternada 312.2.3 Esquema IT em corrente alternada 3.2.3.2 Sección 413: “Proteçción contra contactos indirectos” En la sección 413 se definen los tiempos de corte máximo especificados en función del esquema de distribución, en caso de producirse una falta de impedancia despreciable entre una parte activa y una masa o un conductor de protección. La norma indica las características de los dispositivos de protección y las impedancias de los circuitos, en función de cada uno de los esquemas de conexión a tierra: En el esquema TN, pueden ser utilizados: Dispositivos de protección contra sobreintensidades. Dispositivos de protección diferencial con corriente diferencial residual (DDR) En un esquema TN-C no pueden emplearse DDRs En el esquema TT los dispositivos diferenciales (DDRs), deben ser utilizados para la protección en caso de falta. Los dispositivos de protección 81 “ANALISIS DE LA INFLUENCIA DEL RÉGIMEN DE NEUTRO EN LA COMPATIBILIDAD ELECTROMAGNÉTICA EN EDIFICIOS HOSPITALARIOS. PROPUESTA DE UNA NUEVA TECNICA CORRECTORA” PARTE II. ESTADO DEL ARTE contra sobreintensidades también pueden ser utilizados si se cumplen las condiciones indicadas en el reglamento. En el esquema IT pueden ser utilizados: Controladores permanentes de aislamiento. Dispositivos de protección contra sobreintensidades. Dispositivos de protección de corriente residual. 3.2.3.3 Sección 707: “Instalaciones con equipamiento de tratamiento de la información” En la sección 707 se dan indicaciones sobre las ventajas e inconvenientes de la aplicación de los diferentes esquemas de conexión a tierra del neutro, en instalaciones con equipamiento de tratamiento de la información y sistemas informáticos. El contenido de la sección está resumido en la siguiente tabla: 82 “ANALISIS DE LA INFLUENCIA DEL RÉGIMEN DE NEUTRO EN LA COMPATIBILIDAD ELECTROMAGNÉTICA EN EDIFICIOS HOSPITALARIOS. PROPUESTA DE UNA NUEVA TECNICA CORRECTORA” PARTE II. ESTADO DEL ARTE Naturaleza de la alimentación I) Redes de Baja tensión sin posibilidad de disponer de transformador II) Instalación de Baja Tensión alimentada a partir de un transformador Esquema Incompatibilidad con corrientes de fuga elevadas. Desaconsejable si la continuidad del suministro se considera esencial. Incompatibilidad con corrientes de fuga elevadas. Desaconsejable si la continuidad del suministro se considera esencial. Recomendado Aplicación del esquema TN-S Necesario disponer de servicio de mantenimiento. El equipamiento debe estar adaptado a este esquema de conexión a tierra del neutro. Riesgo de perturbación en caso de defecto. Desaconsejado excepto en casos particulares Recomendado Aplicación del esquema TN-S TT TT TN IT III)Circuitos alimentados con un transformador, por circuito de equipamiento IV) Fuente autónoma de sustitución Observaciones TT IT TN TN-S ------------ Tabla 3-2 Resumen Sección 707 Regras Técnicas das Instalações Eléctricas de Baixa Tensão de Portugal 3.2.3.4 Sección 801.2.1.2: “Instalaciones de Seguridad” Las instalaciones de seguridad son aquellas que se deben mantener en servicio para garantizar o facilitar la evacuación del público en caso de emergencia. 83 “ANALISIS DE LA INFLUENCIA DEL RÉGIMEN DE NEUTRO EN LA COMPATIBILIDAD ELECTROMAGNÉTICA EN EDIFICIOS HOSPITALARIOS. PROPUESTA DE UNA NUEVA TECNICA CORRECTORA” PARTE II. ESTADO DEL ARTE Esta sección indica que los sistemas de protección no deben cortar en caso de primer defecto, por lo tanto se están requiriendo esquemas del tipo IT, para los servicios de seguridad. 3.2.3.5 Sección 801.2.4.2. “Reglas aplicables a locales de Uso Médico” La protección contra los choques eléctricos debe ser garantizada por las medidas de protección indicadas en el Anexo III. La medida de protección P5 es la referente a la utilización de un esquema IT, con transformador separador. A diferencia de otros reglamentos en donde sólo se habla genéricamente de Salas de Intervención y Quirófanos, el reglamento portugués da una relación de locales de uso médico, en los cuales se debe disponer de transformador de aislamiento y sistema IT. El Reglamento Electrotécnico de Baja Tensión español, indica que se debe disponer de transformador de aislamiento en aquellos locales que dispongan de receptores invasivos, entendidos estos como aquellos que desde el punto de vista eléctrico penetran parcial o completamente en el interior del cuerpo, bien por un orificio corporal o bien a través de una superficie corporal. Sin embargo, el Reglamento Portugués indica que se debe disponer de sistema IT sólo en aquellos locales médicos en los que se pueden producir procedimientos intracardiacos, siendo esta relación de locales menos numerosa que los habitualmente protegidos con sistema IT en España. 84 “ANALISIS DE LA INFLUENCIA DEL RÉGIMEN DE NEUTRO EN LA COMPATIBILIDAD ELECTROMAGNÉTICA EN EDIFICIOS HOSPITALARIOS. PROPUESTA DE UNA NUEVA TECNICA CORRECTORA” PARTE II. ESTADO DEL ARTE Tabla 3-3 Resumen 801.2.4.2 Regras Técnicas das Instalações Eléctricas de Baixa Tensão de Portugal 85 “ANALISIS DE LA INFLUENCIA DEL RÉGIMEN DE NEUTRO EN LA COMPATIBILIDAD ELECTROMAGNÉTICA EN EDIFICIOS HOSPITALARIOS. PROPUESTA DE UNA NUEVA TECNICA CORRECTORA” PARTE II. ESTADO DEL ARTE 3.2.4 IEE (INSTITUTE OF ELECTRICAL ENGINEERS) REGULATION 17TH EDITION, BS 7671 DEL REINO UNIDO La norma de instalaciones eléctricas del Reino Unido del IEE (Institution of Engineering and Tecnology) y BSI, en su edición nº17, trata de los esquemas de conexión a tierra del neutro en los siguientes puntos: Punto 312.3: se enumeran los diferentes tipos de sistemas de conexión a tierra, siendo estos los habituales TN-S, TN-C, TN-C-S, TT e IT. Punto 411.4: se define el esquema TN y sus condiciones de protección. Se dan valores de impedancia del bucle de defecto para la actuación de protecciones de máxima corriente y en concreto fusibles. Punto 411.5: se define el esquema TT y sus condiciones de protección. Punto 411.6: se define el esquema IT y sus condiciones de protección. Punto 531.1: protección de máxima corriente. Punto 542: tierras. No existen diferencias importantes entre la reglamentación BS 7671 y el REBT español, en lo que al tratamiento de regímenes de neutro se refiere. Sin embargo, existen diferencias entre la ITC-BT-24 y la BS 7671, en la definición de los tiempos máximos permitidos de desconexión, ya que en la ITC-BT-24 sólo define tiempos para el esquema TN y de manera genérica para todos los calibres: Uo (V) 230 400 >400 MÁXIMO TIEMPO DE DESCONEXIÓN (s) 0,40 0,20 0,10 Tabla 3-4. Resumen ITC-BT-24 tiempos desconexión para esquemas TN Mientras que la BS 7671 (411.3.2.2) fija los tiempos máximos de desconexión en función de los diferentes esquemas de puesta a tierra y de los calibres de las protecciones: 86 “ANALISIS DE LA INFLUENCIA DEL RÉGIMEN DE NEUTRO EN LA COMPATIBILIDAD ELECTROMAGNÉTICA EN EDIFICIOS HOSPITALARIOS. PROPUESTA DE UNA NUEVA TECNICA CORRECTORA” PARTE II. ESTADO DEL ARTE Tabla 3-5. Resumen BS 7671 (411.3.2.2) tiempos desconexión sistemas en función régimen de neutro En el punto 411.3.2.3 se indica que en esquemas TN, el tiempo no debe exceder los 5 segundos para circuitos con un calibre mayor a 32A. En el punto 411.3.2.4 se indica que en esquemas TT, el tiempo no debe exceder de 1 segundo para circuitos con un calibre mayor a 32A. Para el esquema TN y según el punto 411.4.5 de la BS7671, las características de los dispositivos de protección y las secciones de los conductores que se eligen, deben cumplir la condición siguiente: Zs I a U o donde, Zs es la impedancia de bucle, comprendiendo la fuente, la línea hasta el punto de defecto y el conductor de protección desde el punto de defecto hasta la fuente. 87 “ANALISIS DE LA INFLUENCIA DEL RÉGIMEN DE NEUTRO EN LA COMPATIBILIDAD ELECTROMAGNÉTICA EN EDIFICIOS HOSPITALARIOS. PROPUESTA DE UNA NUEVA TECNICA CORRECTORA” PARTE II. ESTADO DEL ARTE Ia corriente que asegura el funcionamiento del dispositivo de corte automático en un tiempo máximo igual al definido en la tabla para tensión nominal U0. En caso de utilización de un dispositivo de corriente diferencialresidual la corriente diferencial asignada. Uo es la tensión nominal entre fase y tierra, valor eficaz en corriente alterna. La condición anterior, impuesta por la BS 7671 para la protección bajo el esquema TN, es análoga a la impuesta por la ITC-24 del REBT. La norma BS aporta una serie de tablas que determinan la impedancia máxima de bucle permitida, en función del calibre y del tipo de protección asociada. Estas tablas no están disponibles en el REBT. A continuación se detalla la tabla en relación a la protección con fusibles: Tabla 3-6. Resumen BS 7671 sobre protección con fusibles bajo sistemas TN A continuación se muestra la tabla en relación a la protección con diferentes tipos de interruptores automáticos: 88 “ANALISIS DE LA INFLUENCIA DEL RÉGIMEN DE NEUTRO EN LA COMPATIBILIDAD ELECTROMAGNÉTICA EN EDIFICIOS HOSPITALARIOS. PROPUESTA DE UNA NUEVA TECNICA CORRECTORA” PARTE II. ESTADO DEL ARTE Tabla 3-7. Resumen BS 7671 sobre protección con automáticos bajo sistemas TN y fusibles. Tabla 3-8. Resumen BS 7671 sobre protección con fusibles bajo sistemas TN 89 “ANALISIS DE LA INFLUENCIA DEL RÉGIMEN DE NEUTRO EN LA COMPATIBILIDAD ELECTROMAGNÉTICA EN EDIFICIOS HOSPITALARIOS. PROPUESTA DE UNA NUEVA TECNICA CORRECTORA” PARTE II. ESTADO DEL ARTE Para el esquema TT y según el punto 411.5.3 de la BS 7671, se debe cumplir la siguiente expresión: RA Ia U donde, RA es la suma de las resistencias de la toma de tierra y de los conductores de protección de masas. Ia es la corriente que asegura el funcionamiento automático del dispositivo de protección. Cuando el dispositivo de protección es un dispositivo de corriente diferencial-residual es la corriente diferencial-residual asignada. U es la tensión de contacto límite convencional (50, 24V u otras, según los casos). En caso de tratarse de un dispositivo de máxima corriente los tiempos de actuación son los marcados en 411.3.2.2 y 411.3.2.4 Para el esquema IT y según el punto 411.6.2 de la BS 7671, se debe cumplir la siguiente expresión: RA Id UL donde, RA es la suma de las resistencias de toma de tierra y de los conductores de protección de las masas. Id es la corriente de defecto en caso de un primer defecto franco de baja impedancia entre un conductor de fase y una masa. Este valor tiene en cuenta las corrientes de fuga y la impedancia global de puesta a tierra de la instalación eléctrica. UL es la tensión de contacto límite convencional (50V para corriente alterna). No hay diferencias entre la ITC-BT-24 y la BS 7671 en el tratamiento del esquema IT. 90 “ANALISIS DE LA INFLUENCIA DEL RÉGIMEN DE NEUTRO EN LA COMPATIBILIDAD ELECTROMAGNÉTICA EN EDIFICIOS HOSPITALARIOS. PROPUESTA DE UNA NUEVA TECNICA CORRECTORA” PARTE II. ESTADO DEL ARTE 3.2.5 IEC 60364: “ELECTRICAL INSTALLATIONS FOR BUILDINGS” La Comisión Electrotécnica Internacional (IEC) ha desarrollado una norma específica para instalaciones eléctricas de Baja Tensión, en concreto la IEC 60364 “Electrical installation for buildings”. Las partes de la norma referentes a regímenes de neutro son: IEC 60364-1: “Instalaciones eléctricas de baja tensión. Principios fundamentales, determinación de las características generales, definiciones”. IEC 60364-4-41: “Instalaciones eléctricas de baja tensión. Protección para garantizar la seguridad. Protección contra los choques eléctricos” La norma IEC clasifica los regímenes de neutro en TN (TN-S, TN-C-S y TN-C), IT y TT. La norma IEC 60364 ha sido armonizada con la norma UNE-HD 60364, que se ha analizado en el punto 3.1.2 anterior: UNE-HD-60364-1: “Instalaciones eléctricas de baja tensión. Principios fundamentales, determinación de las características generales, definiciones”. UNE-HD-60364-4-41: “Instalaciones eléctricas en edificios. Protección para garantizar la seguridad. Protección contra los choques eléctricos”. Por lo que las conclusiones son las ya mencionadas en el punto 3.1.2. 91 “ANALISIS DE LA INFLUENCIA DEL RÉGIMEN DE NEUTRO EN LA COMPATIBILIDAD ELECTROMAGNÉTICA EN EDIFICIOS HOSPITALARIOS. PROPUESTA DE UNA NUEVA TECNICA CORRECTORA” PARTE II. ESTADO DEL ARTE 92 “ANALISIS DE LA INFLUENCIA DEL RÉGIMEN DE NEUTRO EN LA COMPATIBILIDAD ELECTROMAGNÉTICA EN EDIFICIOS HOSPITALARIOS. PROPUESTA DE UNA NUEVA TECNICA CORRECTORA” PARTE II. ESTADO DEL ARTE 4 CAPÍTULO 4: INTRODUCCIÓN A LA ELECTROMAGNÉTRICA EN ÁMBITOS HOSPITALARIOS. 4.1 COMPATIBILIDAD CONCEPTO DE COMPATIBILIDAD ELECTROMAGNÉTICA 4.1.1 CONCEPTOS PRELIMINARES Como se ha expuesto en epígrafes iniciales una de las hipótesis a demostrar en el presente estudio es que en un ámbito hospitalario un régimen de neutro establecido según un sistema TN-S es más adecuado que el habitualmente previsto que es el TT y que este sistema constituye, por diseño, una herramienta que, no solo facilita la explotación del inmueble desde un punto de vista eléctrico, sino que es una técnica correctora adecuada para generar un contexto electromagnético óptimo para el funcionamiento de los equipos de electro medicina. En este punto por tanto veremos que se puede considerar un “contexto electromagnético” óptimo. Actualmente vivimos inmersos en un ambiente electromagnético provocado tanto por la radiación directamente emitida por diversos equipos (emisoras de radio, televisiones, radares, etc.) como por la radiación no intencionada de otros equipos (máquinas eléctricas, ordenadores, el propio sistema eléctrico de alimentación, etc.). Todas estas radiaciones provocan un acoplamiento de energía con cualquier sistema susceptible de captarlas, pudiendo provocar fallos en el normal funcionamiento del mismo. Se conoce con el nombre de perturbación electromagnética a cualquier fenómeno que pueda degradar el funcionamiento de un dispositivo, equipo o sistema (definiciones según norma UNE EN 60601-1-2:2007 sobre equipos electro médicos). Por otra parte, se entiende como interferencia electromagnética (IEM) la degradación en el funcionamiento de un dispositivo, equipo o sistema causado por una perturbación electromagnética. Así la compatibilidad electromagnética (CEM) es la aptitud de un dispositivo, equipo o sistema para funcionar correctamente en un ambiente electromagnético, sin introducir perturbaciones intolerables en ese ambiente o en otros dispositivos, equipos o sistemas, así como soportar las producidas por otros dispositivos, equipos o sistemas. 93 “ANALISIS DE LA INFLUENCIA DEL RÉGIMEN DE NEUTRO EN LA COMPATIBILIDAD ELECTROMAGNÉTICA EN EDIFICIOS HOSPITALARIOS. PROPUESTA DE UNA NUEVA TECNICA CORRECTORA” PARTE II. ESTADO DEL ARTE El término susceptibilidad electromagnética (SEM), y su opuesto inmunidad electromagnética (IEM), se emplean para indicar la mayor o menor predisposición de un dispositivo, equipo o sistema a ser afectado por las interferencias electromagnéticas, es decir la capacidad de funcionar correctamente en un entorno de interferencias. La compatibilidad electromagnética generalmente está regulada por normas que establecen los requisitos que deben cumplir los equipos y como se ha marcado en distintos puntos de este documento para el caso concreto de equipos de electro medicina hay un paquete normativo extenso basado en las normas armonizadas UNE EN 60601 que lo regulan de forma clara. Para facilitar el estudio de la CEM, el análisis de cualquier problema se divide en las siguientes partes: Análisis del origen, fuente o generador de las posibles interferencias. Estudio de los medios de propagación o caminos de acoplamiento de las interferencias. Análisis de los receptores afectados por las interferencias. Figura 4-1. Esquema análisis interferencias Por lo tanto, para que las IEM constituyan un problema debe existir al mismo tiempo un generador de perturbaciones, en nuestro caso la propia onda eléctrica trifásica de alimentación, un receptor afectado por ellas, es decir el equipo de electro medicina y un camino de acoplamiento, que en nuestro caso es la red eléctrica de suministro con las distintas vertientes de régimen de neutro expuestas en capítulos anteriores así como la propia emisión “radiada” de campo. Como se ha comentado en otros epígrafes de este documento hay una un gran número de normas y estudios relativos a la exposición a campos electromagnéticos y la salud, sobre Compatibilidad electromagnética de dispositivos médicos y sobre Compatibilidad Electromagnética en equipos de radiocomunicaciones. Será de ellas, conocida la fuente y teniendo alta capacidad para su modelización y conocido el canal de transmisión, que 94 “ANALISIS DE LA INFLUENCIA DEL RÉGIMEN DE NEUTRO EN LA COMPATIBILIDAD ELECTROMAGNÉTICA EN EDIFICIOS HOSPITALARIOS. PROPUESTA DE UNA NUEVA TECNICA CORRECTORA” PARTE II. ESTADO DEL ARTE también puede ser modelado, de donde saquemos que parámetros condicionan el funcionamiento de los equipos de electro medicina estableciendo así los objetivos del trabajo que permitan validar la hipótesis expuesta. 95 “ANALISIS DE LA INFLUENCIA DEL RÉGIMEN DE NEUTRO EN LA COMPATIBILIDAD ELECTROMAGNÉTICA EN EDIFICIOS HOSPITALARIOS. PROPUESTA DE UNA NUEVA TECNICA CORRECTORA” PARTE II. ESTADO DEL ARTE 4.1.2 NORMATIVA DE APLICACIÓN En el presente epígrafe se hace un repaso de la normativa sectorial de aplicación con objeto de intentar fijar las bases (parámetros a obtener) que permitan la comparación de los sistemas de régimen de neutro en estudio en base a su mayor o menor afección electromagnética en el entorno hospitalario en estudio. Como ya se ha expuesto el objeto de las simulaciones a realizar y de la que estamos justificando su base normativa y técnica en ningún caso van a ir vinculadas a sacar conclusiones en un ámbito sanitario o de afección al paciente o usuario de la instalación. Aunque en el epígrafe de conclusiones se evaluarán futuras líneas de estudio (afección de lipoatrofia circular en ambientes con alta carga de equipos informáticos) no se considera que ninguno de los sistemas de puesta a tierra legales en España contribuya de manera decisiva a llegar a los valores considerados como insalubres por las distintas Administraciones, Instituciones y normativa que a continuación se expondrá. Se detalla y lista la misma con el objetivo de afianzar la elección de parámetros a simular y lograr órdenes de magnitud en los que poder englobar nuestro estudio. 4.1.2.1 A) NORMATIVA INTERNACIONAL Compatibilidad electromagnética en equipos. Equipos electro médicos Tanto a nivel internacional como europeo se ha reconocido la importancia del problema de la CEM. Por ello en Europa todos los equipos comercializados deben cumplir los requerimientos establecidos en la Directiva Europea 2004/108/CE en materia de compatibilidad electromagnética, en ella se establecen los requisitos esenciales a los que se deben someter los aparatos e instalaciones electrónicas. Para dar presunción de conformidad a esta directiva se usan las normas armonizadas. Existe un listado de normas que se publican en el Diario Oficial de las Comunidades Europeas (DOCE) de las mismas de las que podemos extraer las siguientes relevantes en nuestro estudio: CEI/TR 61000 sobre Compatibilidad electromagnética. Descripción del entorno Entorno electromagnético para las perturbaciones conducidas de baja frecuencia y la transmisión de señales en las redes generales de alimentación. ENV 61000 sobre Compatibilidad electromagnética. Niveles de compatibilidad para las perturbaciones conducidas de baja frecuencia y la transmisión de señales en las redes de suministro publico en baja tensión. 96 “ANALISIS DE LA INFLUENCIA DEL RÉGIMEN DE NEUTRO EN LA COMPATIBILIDAD ELECTROMAGNÉTICA EN EDIFICIOS HOSPITALARIOS. PROPUESTA DE UNA NUEVA TECNICA CORRECTORA” PARTE II. ESTADO DEL ARTE Y especialmente la IEC 60601 sobre Equipos electro médicos. Requisitos generales para la seguridad básica y funcionamiento esencial, ya que está norma establece las pruebas de inmunidad para dispositivos sanitarios de soporte vital y de no soporte vital y establece los límites normativos para su correcto funcionamiento. Es en este marco normativo donde se prueban y validan los distintos equipos y se establecen las condiciones y entornos de trabajo para evitar merma en sus prestaciones pretendidas. Si bien la mayoría de las pruebas van dirigidas a ensayos a realizar pro el fabricante o en un entrono controlado (laboratorios) si que sirven para extrapolar aquellos valores que sería más adecuado obtener en una simulación que nos permita validar los puntos expuestos en epígrafes anteriores. Figura 4-2. Esquema funcional del laboratorio de Compatibilidad Electromagnética y Antenas del Instituto de Ingeniería del F2I2. [Fuente: F2I2.] B) Compatibilidad electromagnética en el usuario. La gran mayoría de normas internacionales y con posterior trasposición a ámbitos más locales se basan en las publicaciones de la Comisión Internacional de Protección contra 97 “ANALISIS DE LA INFLUENCIA DEL RÉGIMEN DE NEUTRO EN LA COMPATIBILIDAD ELECTROMAGNÉTICA EN EDIFICIOS HOSPITALARIOS. PROPUESTA DE UNA NUEVA TECNICA CORRECTORA” PARTE II. ESTADO DEL ARTE las Radiaciones No Ionizantes (ICNIRP). Esta organización publico en 1998 unas directrices para limitar la exposición del público general y de los trabajadores a campos eléctricos, magnéticos y electromagnéticos variables con el tiempo (hasta 300 GHz). Para el desarrollo de estas directrices, la ICNIRP únicamente tomó como base consideraciones biológicas y efectos comprobados (por ejemplo estimulación de los músculos y nervios periféricos, descargas y quemaduras causadas por el contacto con objetos conductores, etc.), por lo que los limites propuestos se basan en efectos para la salud inmediatos y a corto plazo. Para posibles efectos a largo plazo como el cáncer, la ICNIRP considero que los datos disponibles eran insuficientes para proporcionar una base para limitar la exposición por lo que no publicó estudios contrastados (toda esta información de forma detallada se muestra en las publicaciones accesibles del organismo http://www.icnirp.de/PubEMF.htm ). En concreto para intentar establecer límites a la exposición a campos electromagnéticos alternos y estáticos se han publicado respectivamente: ICNIRP. "Guidelines for limiting exposure to timevarying electric, magnetic, and electromagnetic fields (up to 300 GHz)». Health Physics, 74, 4, (1998), 494-522. ICNIRP. «Guidelines on limits of exposure to static magnetic fields.» Health Physics66,1,1994, 100-106. Estas recomendaciones no son vinculantes por lo que cada país puede establecer sus propias normas nacionales sobre exposición a campos eléctricos y magnéticos. No obstante estas publicaciones de la ICNIRP fueron recogidas por la Unión Europea en la recomendación 1999/519/CE (CE, 1999a) y en la Directiva 2004/40/CE sobre CEM. La Respuesta de cada país a la misma se recoge en las tablas adjuntas sacadas de forma literal de la tesis doctoral sobre Seguridad Electromagnética en Telemedicina de Dña. Victoria Ramos González (Ref. [17]). 98 “ANALISIS DE LA INFLUENCIA DEL RÉGIMEN DE NEUTRO EN LA COMPATIBILIDAD ELECTROMAGNÉTICA EN EDIFICIOS HOSPITALARIOS. PROPUESTA DE UNA NUEVA TECNICA CORRECTORA” PARTE II. ESTADO DEL ARTE Tabla 4-1. Respuesta de cada país comunitario a las recomendaciones de la directiva 1999/519/CE (CE, 1999a). Fuente: Tesis doctoral sobre Seguridad Electromagnética en Telemedicina de Dña. Victoria Ramos González (Ref. [17]). 99 “ANALISIS DE LA INFLUENCIA DEL RÉGIMEN DE NEUTRO EN LA COMPATIBILIDAD ELECTROMAGNÉTICA EN EDIFICIOS HOSPITALARIOS. PROPUESTA DE UNA NUEVA TECNICA CORRECTORA” PARTE II. ESTADO DEL ARTE Tabla 4-2. Respuesta de cada país comunitario a las recomendaciones de la directiva 1999/519/CE (CE, 1999a). Fuente: Tesis doctoral sobre Seguridad Electromagnética en Telemedicina de Dña. Victoria Ramos González (Ref. [17]). 4.1.2.2.- NORMATIVA NACIONAL A) Compatibilidad electromagnética en equipos. Equipos electro médicos En un mundo con cada vez más esfuerzos para la uniformización y homologación de criterios y estándares de trabajo las normas, aunque puedan se establecidas por Directivas a nivel Internacional, Unión Europea en el caso de España, tienden a ser comunes aunque con los matices propios del países donde se implementen. En este ámbito (CEM) no se es menos siendo todas las normas de aplicación trasposiciones casi literales de la norma europea (armonizada). Aunque hay una normativa de ámbito nacional como el Real Decreto 1591/2009 que regulación de forma específica los productos sanitarios entre ellos los equipos de electro medicina ha sido AENOR a través de sus distintos comités quién ha generado el marco normativa de aplicación buscado: 100 “ANALISIS DE LA INFLUENCIA DEL RÉGIMEN DE NEUTRO EN LA COMPATIBILIDAD ELECTROMAGNÉTICA EN EDIFICIOS HOSPITALARIOS. PROPUESTA DE UNA NUEVA TECNICA CORRECTORA” PARTE II. ESTADO DEL ARTE En un primer bloque normativo y vía el Comité AEN/CTN 208 (COMPATIBILIDAD ELECTROMAGNÉTICA) bajo secretaria de UNESA sobre Normalización de Compatibilidad electromagnética (CEM), productos CEM y perturbaciones radioeléctricas son de interés y aplicación las siguientes normas: CEI/TR61000-2-1:1990 sobre Compatibilidad electromagnética (CEM) - Parte 2: Entorno - Sección 1: Descripción del entorno - Entorno electromagnético para las perturbaciones conducidas de baja frecuencia y la transmisión de señales en las redes generales de alimentación. UNE-ENV 61000-2-2:1994: Compatibilidad electromagnética (CEM). Parte 2: entorno. Sección dos: niveles de compatibilidad para las perturbaciones conducidas de baja frecuencia y la transmisión de señales en las redes de suministro publico en baja tensión. UNE-EN61000-3-3/A1:2002 : Compatibilidad electromagnética (CEM). Parte 3: Límites. Sección 3: Limitación de las variaciones de tensión, fluctuaciones de tensión y flicker en las redes públicas de suministro de baja tensión para equipos con corriente de entrada <=16A por fase y no sujetos a una conexión UNE-EN61000-4: Compatibilidad electromagnética (CEM). Parte 4: Técnicas de ensayo y de medida. UNE 21000-1-2:2002 IN: Compatibilidad electromagnética (CEM). Parte 1-2: Generalidades. Metodología para la consecución de la seguridad funcional de equipos eléctricos y electrónicos desde el punto de vista de los fenómenos electromagnéticos. Y en un segundo bloque más específico para la temática de la tesis y a través de su comité AEN/CTN 209/SC 62 (EQUIPOS ELÉCTRICOS EN LA PRÁCTICA MÉDICA) bajo secretaria de AT4 WIRELESS son muy relevantes las mencionadas ya en algún epígrafe introductorio: UNE-EN60601-1:2008: Equipos electro médicos. Parte 1: Requisitos generales para la seguridad básica y funcionamiento esencial. Y sobre todo la que ha sido la norma más relevante para el estudio la UNE-EN 60601-12:2008 sobre equipos electro médicos. Parte 1-2: Requisitos generales para la seguridad básica y funcionamiento esencial. Requisitos y ensayos 101 “ANALISIS DE LA INFLUENCIA DEL RÉGIMEN DE NEUTRO EN LA COMPATIBILIDAD ELECTROMAGNÉTICA EN EDIFICIOS HOSPITALARIOS. PROPUESTA DE UNA NUEVA TECNICA CORRECTORA” PARTE II. ESTADO DEL ARTE B) Compatibilidad electromagnética en el usuario. Como se ha comentado en el punto anterior asumiendo los criterios de la recomendación europea 1999/519/CE (CE, 1999a), en España se publico en 2001 el RD 1066/2001 por el que se aprueba el Reglamento que establece las condiciones de protección del dominio público radioeléctrico, restricciones a las emisiones radio eléctricas y medidas de protección sanitaria frente a emisiones radioeléctricas. Si bien esta reglamentación está más pensada para emisiones radiadas sí que hay ciertos estudios y normas asociadas para los campos de frecuencia extremadamente baja (ELF) considerando estos hasta 300 Hz y en concreto para las instalaciones de transmisión y distribución de electricidad. Estas instalaciones de transmisión y distribución de electricidad y el cableado y aparatos eléctricos en general, incluidos los domésticos, generan el nivel de fondo de campos eléctricos y magnéticos estableciéndose distintos valores de intensidad de este campo de fondo tanto eléctrico como magnético. Complementario a lo anterior en España el Ministerio de Trabajo y Asuntos Sociales a través del Instituto Nacional de Seguridad e Higiene en el trabajo ha publicado una serie de Notas Técnicas de Prevención (NTP) que concretan más, en función del tipo de emisión los niveles de exposición en función del tipo de fuente u origen. Las NTP son guías de buenas prácticas. Sus indicaciones no son obligatorias salvo que estén recogidas en una disposición normativa vigente. En el campo que nos aplica en el estudio hay que destacar dos de ellas (recogidas en las referencias bibliográficas [27] y [28]): NTP-698: Campos electromagnéticos entre 0 Hz y 300 GHz: criterios ICNIRP para valorar la exposición laboral. NTP 567: Protección frente a cargas electrostáticas. En la primera de ellas (NTP-698) con el objetivo de establecer unas restricciones básicas a los campos electromagnéticos en función de la frecuencia se cantidades dosimétricas o expo simétricas que para el caso que nos ocupa (entre 1 Hz y 10 MHz) se realizan mediante la densidad de corriente para prevenir los efectos sobre las funciones del sistema nervioso. Las restricciones se parametrizan en una serie de tablas que consideran el tipo de exposición del usuario (laboral o de paso) estableciendo una densidad de 102 “ANALISIS DE LA INFLUENCIA DEL RÉGIMEN DE NEUTRO EN LA COMPATIBILIDAD ELECTROMAGNÉTICA EN EDIFICIOS HOSPITALARIOS. PROPUESTA DE UNA NUEVA TECNICA CORRECTORA” PARTE II. ESTADO DEL ARTE potencia máxima y una densidad de corriente inducida máxima en función de la frecuencia, en Hz, de la fuente. Con objeto de facilitar el seguimiento de estas magnitudes establece que en cualquier caso los valores medidos serán las magnitudes derivadas, es decir, intensidad de campo eléctrico (E medido en V/m), la intensidad de campo magnético (H medida en A/m) o la inducción magnética (B). 103 “ANALISIS DE LA INFLUENCIA DEL RÉGIMEN DE NEUTRO EN LA COMPATIBILIDAD ELECTROMAGNÉTICA EN EDIFICIOS HOSPITALARIOS. PROPUESTA DE UNA NUEVA TECNICA CORRECTORA” PARTE II. ESTADO DEL ARTE 4.2 SELECCIÓN DE LOS PARÁMETROS DE SIMULACIÓN En base a todo el marco normativo y estudios expuestos en el punto anterior podemos resumir una serie de valores que garantizarían, ante una alimentación eléctrica convencional, un comportamiento adecuado de los equipo en el Hospital. En primer lugar y en base a la UNE-EN 60601-1-2:2008 sobre equipos electro médicos, como los presentados en la Figura 4-3, en su Parte 1-2 sobre Requisitos generales para la seguridad básica y funcionamiento esencial y en concreto sobre ensayos de laboratorio exigibles nos encontramos con los siguientes ensayos para garantizar el funcionamiento o inmunidad electromagnética: Tabla 4-3 Tabla ensayos del fabricante sobre inmunidad electromagnética. Fuente: Norma UNE-EN 60601-1-2:2008 104 “ANALISIS DE LA INFLUENCIA DEL RÉGIMEN DE NEUTRO EN LA COMPATIBILIDAD ELECTROMAGNÉTICA EN EDIFICIOS HOSPITALARIOS. PROPUESTA DE UNA NUEVA TECNICA CORRECTORA” PARTE II. ESTADO DEL ARTE Es decir establece ensayos de comportamiento de la red eléctrica ante perturbaciones de su funcionamiento en un entrono normal (descargas de tipo electrostático, ondas de choque transitorios, etc.) pero como prueba interesante establece el comportamiento ante campos magnéticos a frecuencia de red (50 Hz en España) marcando unos niveles máximos característicos en función del emplazamiento. Si se sigue avanzando en la norma para equipos de electro medicina de asistencia vital (definidos según la propia norma como aquellos que se emplean para mantener vivos a los pacientes o en labores de resucitación) se marcan requisitos adicionales que incluyen: Ensayo de inmunidad a ondas conducidas estableciendo límites en Vmrs (es decir valores eficaces máximos, valores Root Mean Square (RMS) o Raíz Media Cuadrática en función del tipo de equipo y de la frecuencia de la onda. Ensayos de inmunidad para ondas radiadas estableciendo límites en V/m en función del tipo de equipo y frecuencia de la onda. E incluso otra serie de valores a tener en cuenta a la hora de los ensayos EMI pertinentes o para establecer condiciones de uso del equipo como son: Ruido sobre la forma de onda de las señales de alimentación. Distancias a focos de emisión en función de la frecuencia (en Hz) y potencia de emisión (en W). Comportamiento ante barridos de tensiones de alimentación con oscilaciones de frecuencia en intervalos de tiempo marcados. Capacidad máxima de los cables de alimentación. Etc. 105 “ANALISIS DE LA INFLUENCIA DEL RÉGIMEN DE NEUTRO EN LA COMPATIBILIDAD ELECTROMAGNÉTICA EN EDIFICIOS HOSPITALARIOS. PROPUESTA DE UNA NUEVA TECNICA CORRECTORA” PARTE II. ESTADO DEL ARTE Figura 4-3. Equipo de asistencia vital – respirador mecánico. Fuente: http://thr.en.alibaba.com Estos mismos parámetros y ensayos se describen en mayor o menor medida en el resto de normativa sectorial de análisis de CEM en equipos alimentados eléctricamente. Por otro lado si se analizan las normas de afección CEM al usuario resumidas anteriormente valores medidos se puede verificar que son también magnitudes derivadas como la intensidad de campo eléctrico (E medido en V/m) y la intensidad de campo magnético (H medida en A/m) las adecuadas para determinar la afección de una determinada fuente. Por tanto para medir las interferencias provocadas por el campo electrostático residual y el campo electromagnético en el entorno del equipo son los valores a tomar y volviendo al enfoque de la hipótesis a validar un sistema más respetuoso será aquel que lleve asociado un menor campo eléctrico generado en V/m en la zona de ubicación de equipos y sondas así como un menor campo electromagnético medido en A/m. Todo ello lógicamente evaluado por la producción de la perturbación en rangos de frecuencias del 106 “ANALISIS DE LA INFLUENCIA DEL RÉGIMEN DE NEUTRO EN LA COMPATIBILIDAD ELECTROMAGNÉTICA EN EDIFICIOS HOSPITALARIOS. PROPUESTA DE UNA NUEVA TECNICA CORRECTORA” PARTE II. ESTADO DEL ARTE orden de los 50 Hz que es la utilizada para el transporte de corriente alterna trifásica en España. Se descarta cualquier simulación o medida que afecte directamente a las sondas del equipo vía red eléctrica ya que como se ha mencionado ya en otros puntos de la tesis los equipos de electro medicina disponen de transformador de aislamiento propio, es decir, hay una separación galvánica entre los elementos alimentados por el equipo y la red general eléctrica. Esto es práctica habitual de los fabricantes precisamente al no confiar en la estabilidad eléctrica de la instalación general del hospital. 107 “ANALISIS DE LA INFLUENCIA DEL RÉGIMEN DE NEUTRO EN LA COMPATIBILIDAD ELECTROMAGNÉTICA EN EDIFICIOS HOSPITALARIOS. PROPUESTA DE UNA NUEVA TECNICA CORRECTORA” PARTE II. ESTADO DEL ARTE 108 “ANALISIS DE LA INFLUENCIA DEL RÉGIMEN DE NEUTRO EN LA COMPATIBILIDAD ELECTROMAGNÉTICA EN EDIFICIOS HOSPITALARIOS. PROPUESTA DE UNA NUEVA TECNICA CORRECTORA” PARTE III. ANÁLISIS TEÓRICO-EXPERIMENTAL PARTE III: ANÁLISIS TEÓRICO – EXPERIMENTAL. 109 “ANALISIS DE LA INFLUENCIA DEL RÉGIMEN DE NEUTRO EN LA COMPATIBILIDAD ELECTROMAGNÉTICA EN EDIFICIOS HOSPITALARIOS. PROPUESTA DE UNA NUEVA TECNICA CORRECTORA” PARTE III. ANÁLISIS TEÓRICO-EXPERIMENTAL 110 “ANALISIS DE LA INFLUENCIA DEL RÉGIMEN DE NEUTRO EN LA COMPATIBILIDAD ELECTROMAGNÉTICA EN EDIFICIOS HOSPITALARIOS. PROPUESTA DE UNA NUEVA TECNICA CORRECTORA” PARTE III. ANÁLISIS TEÓRICO-EXPERIMENTAL 5 CAPÍTULO 5. ANÁLISIS DE LA COMPATIBILIDAD ELECTROMAGNÉTICA EN UN COMPLEJO HOSPITALARIO EN FUNCIÓN DEL TIPO DE RÉGIMEN DE NEUTRO SELECCIONADO. 5.1 SOFTWARE Y DATOS DE PARTIDA 5.1.1 SOFTWARE SELECCIONADO En el capítulo 1 ya se expuso la metodología a emplear, basada en simulaciones informáticas, para la obtención de los parámetros requeridos Los motivos expuestos eran diversos: Las mediciones de campo no son significativos cara a una posible inter comparación de valores. La configuración física de los propios equipos de electro medicina así como de los locales donde se alojan. Existencia de bibliografía contrastada que justifica que el software empleado tiene una precisión y aproximación a la realidad muy buena lo que lo posibilita, en escenarios como el elegido, su empleo con alto grado de fiabilidad. En esa línea se han aportado distintas referencias bibliográficas en literatura especializada de alto impacto (IEEE) donde se han abordado distintos problemas o estudios eléctricos con el software seleccionado. Estos estudios abarcan tanto estudio de subestaciones y sistemas de media y alta tensión ([A20], [A22]), comportamiento de máquinas eléctricas ([A21]), instalaciones eléctricas de baja tensión ([A23]) hasta sistemas de puesta a tierra como los evaluados en el presente documento (red de tierras según sistema TN-S [A24]). El software por el que se ha optado han sido los programas ETAP y CST Estudio al cumplir los requisitos marcados como se ha justificado. 111 “ANALISIS DE LA INFLUENCIA DEL RÉGIMEN DE NEUTRO EN LA COMPATIBILIDAD ELECTROMAGNÉTICA EN EDIFICIOS HOSPITALARIOS. PROPUESTA DE UNA NUEVA TECNICA CORRECTORA” PARTE III. ANÁLISIS TEÓRICO-EXPERIMENTAL En el Anexo III a la memoria (Anexo III: Software de simulación electromagnética) se explica de forma breve el fundamento físico y modo de cálculo de estos programas y se aportan las distintas referencias para su seguimiento a través de los fabricantes. Como se explicará de forma más detallada en subepígrafes siguientes se empleará el ETAP para las simulaciones eléctricas y el CST para la simulación electromagnética detallada. En primer lugar, con el simulador ETAP, se van a realizan las simulaciones de los dos escenarios objeto del estudio (Nuevo Hospital Universitario de Ceuta con distribución TT y Hospital Universitario de Burgos con distribución TN-S). Con esta primera simulación se podrán obtener los parámetros de funcionamiento eléctrico de ambos complejos desde el punto de vista eléctrico. En segundo lugar, con el simulador CST, mediante la reproducción de un escenario simplificado se obtendrá el campo eléctrico y magnético debido al funcionamiento eléctrico de cada complejo. En una etapa inicial se simulará cada centro con su régimen de neutro concreto para posteriormente simularlos con el no implementado (sistema TT para el Nuevo Hospital de Burgos y sistema TN-S para el Nuevo Hospital de Ceuta). De esta forma se podrá ver la influencia que tiene la distribución de las puestas a tierra en cada uno de los posibles contextos normativos viables. 112 “ANALISIS DE LA INFLUENCIA DEL RÉGIMEN DE NEUTRO EN LA COMPATIBILIDAD ELECTROMAGNÉTICA EN EDIFICIOS HOSPITALARIOS. PROPUESTA DE UNA NUEVA TECNICA CORRECTORA” PARTE III. ANÁLISIS TEÓRICO-EXPERIMENTAL 5.1.2 DATOS DE PARTIDA Como datos de partida se toman las distintas infraestructuras eléctricas de cada uno de los complejos Hospitalarios desde la red de tierras prevista hasta los cuadros secundarios o de reparto de las zonas afectadas por la simulación. En los Anexos I y II a esta memoria (Anexo 1 Hospital de Burgos y Anexo 2 Hospital de Ceuta) se describen de forma escrita y gráfica dichas infraestructuras. Como se explicó en el punto dedicado a aspectos constructivos de los sistemas de puesta a tierra en un complejo como los simulados se compone de: Red de puesta a tierra de Protección en Media Tensión. Redes de puesta a tierra de neutros de Transformadores (Servicio). Red de puesta a tierra de Protección en Baja Tensión. Red de puesta a tierra de la Estructura del Edificio. La descripción de las mismas incluyendo los planos de cálculo y montaje se aportan en los Anexos mencionados. Se completa la descripción con la infraestructura eléctrica hasta llegar a los cuadros secundarios desde donde se alimentan los equipos de electro medicina objeto del estudio. Para modelizar los sistemas se requieren la resistencia de paso a tierra de cada uno de ellos. En vez de partir de los valores teóricos de diseño se han empleado mediciones directas de las redes ejecutadas. En el caso del Nuevo Hospital de Burgos se disponía de estos valores medidos a través de la empresa de control de calidad que daba soporte a la Dirección de Obra desarrollada. En el caso del Nuevo Hospital de Ceuta al no disponer de esos valores se han realizado las mediciones directas sobre lo ejecutado aprovechando la revisión quinquenal reglamentaria y gracias a la intervención del personal de mantenimiento del centro como se explica en el Anexo II. En ambos casos se aportan por tanto los valores reales para la introducción al modelo. 113 “ANALISIS DE LA INFLUENCIA DEL RÉGIMEN DE NEUTRO EN LA COMPATIBILIDAD ELECTROMAGNÉTICA EN EDIFICIOS HOSPITALARIOS. PROPUESTA DE UNA NUEVA TECNICA CORRECTORA” PARTE III. ANÁLISIS TEÓRICO-EXPERIMENTAL 5.2 SIMULACIONES REALIZADAS 5.2.1 MODELIZACIÓN ELÉCTRICA DEL HOSPITAL DE BURGOS Y HOSPITAL DE CEUTA. Con el objetivo de conocer el comportamiento eléctrico de cada uno de los hospitales en régimen nominal de carga se inicia, como se ha explicado en epígrafes anteriores, el proceso de modelización eléctrica mediante el programa ETAP. En el Anexo III a la memoria se explica de forma más detallada su funcionamiento. Con este programa se pueden obtener los parámetros de funcionamiento eléctrico de cada hospital mediante un cálculo de flujo de cargas que en último término nos permita calcular un equivalente eléctrico (equivalente Thevenin) de los tramos de la red cuyo comportamiento electromagnético se pretenden conocer y comparar. El las figuras 5-1 y 5-2 se muestra el interface gráfico obtenido de cada hospital una vez modelado. Se han simulado las líneas generales desde los distintos centros de transformación (CT) a cuadros secundarios en primera instancia. En concreto se aporta, a modo de ejemplo en este documento, el CT 1 de cada uno de los complejos hospitalarios. Figura 5-1. Esquema de simulación del CT1 correspondiente al Hospital de Ceuta 114 “ANALISIS DE LA INFLUENCIA DEL RÉGIMEN DE NEUTRO EN LA COMPATIBILIDAD ELECTROMAGNÉTICA EN EDIFICIOS HOSPITALARIOS. PROPUESTA DE UNA NUEVA TECNICA CORRECTORA” PARTE III. ANÁLISIS TEÓRICO-EXPERIMENTAL Figura 5-2. Esquema de simulación del CT1 correspondiente al Hospital de Burgos En la parte superior de cada esquema se encuentra el elemento ‘Power Grid’. Este elemento modela el sistema de media tensión de alimentación a cada centro. En el nivel inferior al de media tensión, se encuentran los distintos transformadores cuya configuración y características eléctricas son las marcadas en el Anexo I y II a este documento basándonos en los proyectos ejecutivos de cada Hospital. En cada caso se introducen en el programa las características eléctricas requeridas para el flujo de cargas tales como: Potencias aparentes y niveles de tensión de cada transformador. Impedancias de las líneas de conexión entre equipos y/o cargas. Caracterización de la carga mediante su potencia activa y factor de potencia asociado. En cada uno de los casos se puede agregar un sistema de puesta a tierra con las configuraciones a modelar (TT y TN-S respectivamente) dando características concretas a cada uno de ellos, en concreto las resistencias de paso a tierra definidas en el Anexo I y II donde se aclaran y justifican las mismas. Por tanto en cada línea y carga del hospital se pueden calcular las magnitudes eléctricas principales en funcionamiento. Desde un punto de vista de simulación electromagnética los datos principales a obtener son las corrientes circulantes por las líneas y el neutro por un lado y por otro los niveles reales de tensión de acceso a cada zona para el planteamiento del equivalente Thevenin. 115 “ANALISIS DE LA INFLUENCIA DEL RÉGIMEN DE NEUTRO EN LA COMPATIBILIDAD ELECTROMAGNÉTICA EN EDIFICIOS HOSPITALARIOS. PROPUESTA DE UNA NUEVA TECNICA CORRECTORA” PARTE III. ANÁLISIS TEÓRICO-EXPERIMENTAL A modo de ejemplo se muestran los cálculos eléctricos obtenidos en los centros de transformación mencionados anteriormente con las salidas asociadas del programa de cálculo. i. Hospital de Ceuta. En la figura 5-3 se muestran en azul los valores de las intensidades en las cargas en las líneas principales de alimentación a las cargas y cuadros secundarios alimentados bajo el esquema propuesto de simulación. Figura 5-3. Intensidades del CT1 correspondiente al Hospital de Ceuta También son evaluables las corrientes que atraviesan por el neutro tal y como se muestra en la figura 5-4 adjunta. En primer lugar se aportan los valores para los neutros de los transformadores del CT 1. Sus valores se representan en color rojo tal y como los genera en programa ETAP. Figura 5-4. Intensidades del neutro para el CT1 correspondiente al Hospital de Ceuta En estos valores se encuentra la principal diferencia entre este sistema TT y el sistema TN-S utilizado en el hospital de Burgos en el ámbito eléctrico como se irá comentando en 116 “ANALISIS DE LA INFLUENCIA DEL RÉGIMEN DE NEUTRO EN LA COMPATIBILIDAD ELECTROMAGNÉTICA EN EDIFICIOS HOSPITALARIOS. PROPUESTA DE UNA NUEVA TECNICA CORRECTORA” PARTE III. ANÁLISIS TEÓRICO-EXPERIMENTAL epígrafes posteriores: el sistema TT, a igualdad de condiciones de carga genera mayores desequilibrios en el neutro que el sistema TNS-S como se detallará posteriormente. ii. Hospital de Burgos Repitiendo el proceso descrito para el Hospital de Burgos se obtienen las corrientes circulantes por el centro tal y como se aprecia en la figura 5-5 y con un mayor detalle, ampliando parte de la salida del programa, en la figura 5-6. Figura 5-5. Intensidades en las cargas Figura 5-6. Intensidades en las cargas Transformador Igualmente se pueden obtener los valores de corrientes circulantes por el neutro de cada transformador. A modo de ejemplo se aporta el cálculo de uno de los transformadores del CT 1 del hospital de Burgos. 117 “ANALISIS DE LA INFLUENCIA DEL RÉGIMEN DE NEUTRO EN LA COMPATIBILIDAD ELECTROMAGNÉTICA EN EDIFICIOS HOSPITALARIOS. PROPUESTA DE UNA NUEVA TECNICA CORRECTORA” PARTE III. ANÁLISIS TEÓRICO-EXPERIMENTAL Figura 5-7. Intensidades en neutro Transformador 1 Por tanto con este primer proceso de modelización y simulación se pueden obtener de manera fidedigna los principales parámetros eléctricos que serán la base para evaluar la bondad electromagnética de cada sistema tal y como se pasa a desarrollar en el epígrafe 5.2.2. mediante el programa ETAP. 5.2.2 MODELIZACIÓN ELECTROMAGNÉTICA DE LOS HOSPITALES Y ZONAS EN ESTUDIO En cada complejo hospitalario se van a realizar dos simulaciones distintas. En la primera de ellas, se va a modelizar la red desde el centro de transformación (CT1 en cada caso tal y como se ha expuesto en el epígrafe anterior) hasta los cuadros secundarios. En este primer caso, se podrá observar que reparto de cargas se produce en cada caso (tomando las nominales marcadas en proyecto previa simulación por eléctrica realizada con el programa ETAP) y la diferencia que se produce entre las dos distribuciones de puesta a tierra. Lógicamente las condiciones de servicio y la distinta infraestructura nos llevarán a parámetros eléctricos de partida diferentes para cada caso. Una vez establecido el comportamiento en las redes troncales del inmueble, se va a comprobar que influencia tiene la distinta alimentación eléctrica en una red mas capilar, es decir en una red que alimente a un equipo donde también haya cableado de comunicaciones en las proximidades, ya que es en ese punto donde resulta interesante evaluar las interferencias electromagnéticas para validar las hipótesis marcadas. El escenario a simular será el último tramo de conexión del cableado eléctrico hasta los equipos de electromedicina. Para esta simulación electromagnética las características eléctricas de los componentes han sido obtenidas de los manuales de los fabricantes cuyo material es el realmente ejecutado en cada hospital. Así por ejemplo para el Hospital de Ceuta cuyos transformadores son tres de 1000 KVA, 15-20/0.4 KV, para el Centro de Transformación 1 (CT1) serán del tipo Trial de Scheinder. 118 “ANALISIS DE LA INFLUENCIA DEL RÉGIMEN DE NEUTRO EN LA COMPATIBILIDAD ELECTROMAGNÉTICA EN EDIFICIOS HOSPITALARIOS. PROPUESTA DE UNA NUEVA TECNICA CORRECTORA” PARTE III. ANÁLISIS TEÓRICO-EXPERIMENTAL Lo mismo ocurre con los sistemas de cableado de media y baja tensión. A modo de ejemplo en el mismo complejo al venir especificados cables de MT con línea por ejemplo de 1x150mm2, 12/20 KV AL DHZ1, se puede simular el mismo de forma concreta (el ejecutado es el Cable VULPREN). De la misma forma se modeliza el cable de conductor neutro o del conductor de protección o incluso las canalizaciones (bandejas) requeridas para el funcionamiento del complejo. A) Simulaciones desde el Centro de Transformación a Cuadros secundarios En la figura 5.8 se muestra el interfaz gráfico del programa de simulación electromagnética CST Studio. Para una explicación en detalle de las características y funcionamiento del software consúltese el Anexo III: Software de Simulación Electromagnética. Para la simulación que se pretende llevar a cabo el programa CST facilita un módulo especializado en cableado, donde se permite configurar características, longitudes, disposición, conexiones y tipos de conexionado. Se debe mencionar que la mayor parte de parámetros que caracterizan componentes de uso común vienen especificados y pre-configurados en la base de datos del programa, no obstante puede ser necesario cambiar alguna característica concreta del componente en función de una adaptación más fidedigna a la realidad de los edificios simulados. En la figura 5.9 se observa la ventana de configuración de los materiales del cableado, en ella puede especificar parámetros característicos como tamaño, tipo de material y forma estructural. 119 “ANALISIS DE LA INFLUENCIA DEL RÉGIMEN DE NEUTRO EN LA COMPATIBILIDAD ELECTROMAGNÉTICA EN EDIFICIOS HOSPITALARIOS. PROPUESTA DE UNA NUEVA TECNICA CORRECTORA” PARTE III. ANÁLISIS TEÓRICO-EXPERIMENTAL Figura 5-8. Entorno de simulación electromagnética CST Figura 5-9. Entrada datos para el cableado a. Diseño y caracterización Para la definición del sistema el programa permite tanto la inclusión del material como la forma de montaje de los diferentes elementos que puedan ser utilizados. Se comienza por tanto con un diseño espacial caracterizado por un volumen cerrado con las dimensiones requeridas del espacio o zona del hospital a simular. La distribución en el espacio queda determinada en el programa según se reproduce en la Figura 5-10. 120 “ANALISIS DE LA INFLUENCIA DEL RÉGIMEN DE NEUTRO EN LA COMPATIBILIDAD ELECTROMAGNÉTICA EN EDIFICIOS HOSPITALARIOS. PROPUESTA DE UNA NUEVA TECNICA CORRECTORA” PARTE III. ANÁLISIS TEÓRICO-EXPERIMENTAL Figura 5-10. Modelo 3D simplificado del volumen bajo estudio En el caso del montaje del cableado eléctrico es viable definir el modo de montaje y la secuencia de fases seguida en la instalación. Para la elección del cableado se ha hecho uso de los modelos de cables especificados en el proyecto (conductores de cobre con aislamiento XLPE). Su distribución física se puede observar en la figura 5.11. Se ha previsto una disposición en trébol para reducir la reactancia RST- TSR –RST – TSR práctica habitual en el montaje eléctrico. Figura 5-11. Esquema del cableado utilizado La separación, trazado y montaje de los elementos conductores y elementos de canalización es configurable. En cada trazado por tanto hay que definir los conductores 121 “ANALISIS DE LA INFLUENCIA DEL RÉGIMEN DE NEUTRO EN LA COMPATIBILIDAD ELECTROMAGNÉTICA EN EDIFICIOS HOSPITALARIOS. PROPUESTA DE UNA NUEVA TECNICA CORRECTORA” PARTE III. ANÁLISIS TEÓRICO-EXPERIMENTAL activos requeridos, neutros, conductores de protección, elementos de canalización así como el tipo de envolvente del equipo alimentado (en este caso envolvente metálica del cuadro secundario en estudio). Se debe resaltar que el nodo de salida del cable de protección (PEC) va conectado al volumen simplificado del edificio, de tal manera que las corrientes que se induzcan en la estructura del edificio van derivadas a tierra como ocurre en la realidad. Esta conexión se realiza directamente sobre una de las paredes del volumen. Los cables descritos se encuentran situados sobre una bandeja de rejilla metálica que actúa como elemento de sujeción del cableado así como elemento de apantallamiento de los campos electromagnéticos producidos. Las dimensiones de la bandeja metálica son los marcados en el proyecto en cada caso. En la figuras 5-12 y 5.13 se observa la geometría de la bandeja metálica simulada. Figura 5-12. Geometría de la bandeja metálica Figura 5-13. Esquema de reparto de cables en la bandeja Todo elemento eléctrico, definido por una geometría y materiales que lo componen, se convierte en un circuito equivalente que permite ser simulado con el simulador de circuitos en el dominio del tiempo y la frecuencia. Una vez definidas las diferentes estructuras o sistemas eléctricos, el cálculo del modelo se divide en dos partes: una primera parte de mallado y un segundo proceso llamado modelado. En la figura 5.14 se observa el modelado 3D simplificado del edificio, con una apertura en el centro para la 122 “ANALISIS DE LA INFLUENCIA DEL RÉGIMEN DE NEUTRO EN LA COMPATIBILIDAD ELECTROMAGNÉTICA EN EDIFICIOS HOSPITALARIOS. PROPUESTA DE UNA NUEVA TECNICA CORRECTORA” PARTE III. ANÁLISIS TEÓRICO-EXPERIMENTAL entrada de los cables, de tal forma que se pueda observar más adelante la influencia electromagnética tanto en los propios cables como en la estructura del edificio. Figura 5-14. Modelado 3D simplificado b. Mallado Hay que realizar un mallado (reconocimiento del trazado por parte del programa) de la geometría de la que se quiere hacer el modelo. Uno de los parámetros más importantes es la distancia para la que se quiere calcular los acoples entre líneas y la configuración de la sección tipo a modelar. Esta distancia tiene que ser lo suficientemente grande para que en un solo mallado existan los cables y el resto de elementos de los que se quiere tener en cuenta el acoplamiento. En la Figura 5.15 se muestra la sección de uno de los modelos de mallado calculado. Se configura un mallado con una separación mínima entre muestras de 50 mm. Un valor alto de separación entre muestras puede provocar una imprecisión en los resultados obtenidos, y un valor demasiado bajo provoca que el tiempo de simulación aumente. Además se configura una distancia máxima entre acoples de 1500 mm, distancia suficiente para estudiar la influencia de unos cables sobre otros además del entorno. Figura 5-15. Ejemplos de sección de mallado del cableado 123 “ANALISIS DE LA INFLUENCIA DEL RÉGIMEN DE NEUTRO EN LA COMPATIBILIDAD ELECTROMAGNÉTICA EN EDIFICIOS HOSPITALARIOS. PROPUESTA DE UNA NUEVA TECNICA CORRECTORA” PARTE III. ANÁLISIS TEÓRICO-EXPERIMENTAL Tras finalizar el proceso de mallado se procede a realizar el modelado del sistema. c. Modelado En este proceso se calculan los parámetros primarios de líneas de transmisión (R’, L’, C’, G’) por unidad de longitud para cada segmento definido de cable a través de un simulador de campo estático 2D. Tras este cálculo, cada segmento se transforma en un circuito equivalente, y finalmente todos estos circuitos son conectados creando un modelo eléctrico único que representa a todo el conjunto de cables. Tras realizar este proceso se obtiene el modelo de la geometría en cada tramo singular (ver figura 5.16). Figura 5-16. Modelado con cable con el programa CST En la parte izquierda del bloque se encuentran las conexiones de los conductores de protección (PEC en la imagen), conductor neutro y fases activas. También se representan los conductores activos que provienen de cada uno de los centros de transformación hasta el cuadro general de baja tensión del inmueble (en el gráfico denominado T1, T2 y T3). Esta parte es la que determina el tipo de distribución utilizada. En la parte derecha del bloque se encuentran los otros extremos de estos elementos que están conectados al cuadro secundario o el equipo según el caso. Como el programa CST permite concretar el modo de conectar los sistemas de tierra estableciendo un régimen de neutro concreto para el funcionamiento de la instalación, se pueden obtener los TT y TN-S de cada hospital base para la simulación. 124 “ANALISIS DE LA INFLUENCIA DEL RÉGIMEN DE NEUTRO EN LA COMPATIBILIDAD ELECTROMAGNÉTICA EN EDIFICIOS HOSPITALARIOS. PROPUESTA DE UNA NUEVA TECNICA CORRECTORA” PARTE III. ANÁLISIS TEÓRICO-EXPERIMENTAL El resultado del esquema para el Hospital de Ceuta se muestra en la figura 5.17 dada la distribución TT prevista. La resistencia a tierra a introducir en el programa de cada hospital se justifica en los Anexos de cálculo aportados tras la memoria. Figura 5-17. Esquema de modelización simplificado por tramo en el Hospital de Ceuta El otro esquema para la comparativa correspondiente al Nuevo Hospital de Burgos dada la distribución TN-S prevista se muestra en la figura 5.18. Figura 5-18. Esquema de modelización simplificado por tramo en el Hospital de Burgos d. Cálculo de los principales parámetros eléctricos Una vez realizadas las modelaciones se introducen en el programa los principales parámetros eléctricos típicos de la instalación. Los datos de partida (potencias, intensidades y tensiones) son los obtenidos por el ETAP en la etapa inicial de modelado 125 “ANALISIS DE LA INFLUENCIA DEL RÉGIMEN DE NEUTRO EN LA COMPATIBILIDAD ELECTROMAGNÉTICA EN EDIFICIOS HOSPITALARIOS. PROPUESTA DE UNA NUEVA TECNICA CORRECTORA” PARTE III. ANÁLISIS TEÓRICO-EXPERIMENTAL eléctrico. Una vez introducidos el CST los caracteriza y recalcula en los tramos seleccionados para la simulación. Si por ejemplo nos fijamos en la intensidad, dado que es la magnitud fuente del campo magnético a evaluar, nos aporta por cada tramo las intensidades nominales circulantes en condiciones estables de servicio para las cargas y simultaneidades dadas. Para cada modo de conexionado se muestran dos casos de carga diferentes, por un lado una carga equilibrada y por otro lado una carga desequilibrada (se generan distintos escenarios de desequilibrio hasta corrientes de 10 A). Estos cálculos se hacen para ambos hospitales evaluando por tanto el comportamiento de un sistema de puesta a tierra TN-S y TT respectivamente. En las figuras 5-19 y 5-20 se indica para un tramo tipo de los simulados, el correspondiente a la salida de cada Centro de Transformación (CT1) al cuadro secundario que alimenta los equipos en estudio, las intensidades circulantes en función de la frecuencia de onda introducida. Lógicamente en nuestro caso, aunque para observar el funcionamiento del programa se han simulado distintas ondas de tensión (dependientes de la frecuencia) nos interesan las obtenidas mediante tensiones a 50 Hz siendo las intensidades a dicha frecuencia el objeto de este estudio. A continuación se muestran los resultados obtenidos para ambos casos: Simulación con carga desequilibrada: 126 “ANALISIS DE LA INFLUENCIA DEL RÉGIMEN DE NEUTRO EN LA COMPATIBILIDAD ELECTROMAGNÉTICA EN EDIFICIOS HOSPITALARIOS. PROPUESTA DE UNA NUEVA TECNICA CORRECTORA” PARTE III. ANÁLISIS TEÓRICO-EXPERIMENTAL Corriente por el cable Neutro Desequilibrado, modo TT 10,13968 Corriente (A) 10,13966 10,13964 10,13962 I_Neutro 10,13960 10,13958 10,13956 40 42 44 46 48 50 52 54 56 58 60 Frecuencia (Hz) Figura 5-19. Corriente por el Neutro, modo TT Corriente por el cable Neutro Desequilibrado, modo TN-S 5,03993 5,03992 Corriente (A) 5,03991 5,03990 5,03989 I_Neutro 5,03988 5,03987 5,03986 40 42 44 46 48 50 52 54 56 58 60 Frecuencia (Hz) Figura 5-20. Corriente por el Neutro, modo TN-S Como se observa en las figuras anteriores el modelo de conexión a tierras TN-S genera menos desequilibrio entre neutros que el modo TT. Simulación con carga equilibrada: 127 “ANALISIS DE LA INFLUENCIA DEL RÉGIMEN DE NEUTRO EN LA COMPATIBILIDAD ELECTROMAGNÉTICA EN EDIFICIOS HOSPITALARIOS. PROPUESTA DE UNA NUEVA TECNICA CORRECTORA” PARTE III. ANÁLISIS TEÓRICO-EXPERIMENTAL Corriente por el cable Neutro Equilibrado, modo TT 0,03063 0,03063 0,03063 Corriente (A) 0,03062 0,03062 0,03062 0,03062 I_Neutro 0,03062 0,03061 0,03061 0,03061 40 42 44 46 48 50 52 54 56 58 60 Frecuencia (Hz) Figura 5-21. Corriente por el Neutro, modo TT Corriente por el cable Neutro Equilibrado, modo TN-S 0,01582 0,01581 0,01581 Corriente (A) 0,01580 0,01580 0,01579 0,01579 I_Neutro 0,01578 0,01578 0,01577 0,01577 0,01576 40 42 44 46 48 50 52 54 56 58 60 Frecuencia (Hz) Figura 5-22. Corriente por el Neutro, modo TN-S Como se observa en las figuras aportadas en el caso de cargas equilibradas (Figura 5-21 y 5-22), como era de esperar, la diferencia es mucho menor pudiéndose considerar los desequilibrios análogos en ambas distribuciones. 128 “ANALISIS DE LA INFLUENCIA DEL RÉGIMEN DE NEUTRO EN LA COMPATIBILIDAD ELECTROMAGNÉTICA EN EDIFICIOS HOSPITALARIOS. PROPUESTA DE UNA NUEVA TECNICA CORRECTORA” PARTE III. ANÁLISIS TEÓRICO-EXPERIMENTAL e. Simulaciones electromagnética mediante CST El módulo electromagnético del CST resuelve las ecuaciones de Maxwell de campo electromagnético mediante el método de Diferencias Finitas en el Dominio del Tiempo (FDTD) tal y como se explica en el Anexo III a este documento (Anexo III: Software de simulación electromagnética). El FDTD es una poderosa teoría de simulación creada para resolver las ecuaciones de Maxwell. Las ecuaciones a resolver se reemplazan por un sistema de ecuaciones expresadas en diferencias finitas donde se deben elegir las componentes a evaluar de manera conveniente. La solución a este sistema de ecuaciones satisface condiciones de frontera establecidas. Parte de la potencia del software y su aceptación como medio de simulación se debe a la implementación de este método de resolución. Este método de cálculo computacional se ha popularizado debido a su gran robustez y flexibilidad como herramienta para modelar problemas de electrodinámica. Algunas de las grandes ventajas del FDTD son las siguientes: Capacidad de modelar geometrías arbitrarias Capacidad de incluir diferentes tipos de fuentes con facilidad Programación relativamente simple y cálculos muy precisos Por otra parte, el algoritmo FDTD tiene varias ventajas sobre otros esquemas de diferencias finitas. Primero, el método FDTD utiliza diferencias espacio-temporales centradas para aproximar las derivadas, lo que proporciona una precisión de segundo orden en dichas derivadas espacio-temporales comparadas con otros esquemas de primer orden. Y segundo, no hay necesidad de un tratamiento muy especial de los límites del problema lo que facilita su resolución. De los distintos parámetros que permite obtener la simulación, tal y como se ha justificado en el capítulo anterior es conveniente centrarse en el campo eléctrico generado (en V/m) y el campo magnético (expresado en A/m). En este apartado se aborda, como se hizo en el apartado anterior, dos casos diferentes de alimentación eléctrica (con cargas equilibradas y desequilibradas). De forma consecutiva, 129 “ANALISIS DE LA INFLUENCIA DEL RÉGIMEN DE NEUTRO EN LA COMPATIBILIDAD ELECTROMAGNÉTICA EN EDIFICIOS HOSPITALARIOS. PROPUESTA DE UNA NUEVA TECNICA CORRECTORA” PARTE III. ANÁLISIS TEÓRICO-EXPERIMENTAL se van a presentar los datos obtenidos para cada hospital y en consecuencia para cada sistema de puesta a tierra. Para ambos circuitos se hace un estudio de los campos electromagnéticos generados. En la figura 5.23 se muestra las cuatro medidas realizadas en diferentes posiciones del esquema implementado. Figura 5-23. Esquema de los planos de simulación electromagnética a visualizar De los dos escenarios pre-evaluados nos centraremos en aportar los datos de simulación del caso de cargas desequilibradas al ser donde mayores diferencias se producen entre sistemas y ser, por otro lado, la situación más habitual en un hospitalario. MEDIDA 1 En la figura 5.24 se muestra una vista en 3D del plano de medida. Sobre dicho plano se obtienen los resultados que se muestran a continuación. Figura 5-24. Vista 3D del plano de medida 1 130 “ANALISIS DE LA INFLUENCIA DEL RÉGIMEN DE NEUTRO EN LA COMPATIBILIDAD ELECTROMAGNÉTICA EN EDIFICIOS HOSPITALARIOS. PROPUESTA DE UNA NUEVA TECNICA CORRECTORA” PARTE III. ANÁLISIS TEÓRICO-EXPERIMENTAL En primer lugar se aportan para cada hospital los valores obtenidos de campo eléctrico. En concreto en las figuras 5-25 y 5-26 se incluyen las salidas del programa para cada hospital bajo unas condiciones de carga iguales con objeto de inter comparar ambos sistemas de manera clara. En una primera conclusión como se puede observar en la barra de valores (y en las curvas isocampo) un esquema de montaje de tierras bajo TT lleva a valores de campo (V/m) mayores. En los puntos más desfavorables esta diferencia es casi de un cien por cien. Aunque en todo caso se obtienen valores muy por debajo de los permitidos se empieza a apreciar una primera ventaja de los sistemas TN-S como se concretará en el capítulo 6 de conclusiones. 131 “ANALISIS DE LA INFLUENCIA DEL RÉGIMEN DE NEUTRO EN LA COMPATIBILIDAD ELECTROMAGNÉTICA EN EDIFICIOS HOSPITALARIOS. PROPUESTA DE UNA NUEVA TECNICA CORRECTORA” PARTE III. ANÁLISIS TEÓRICO-EXPERIMENTAL Figura 5-25. Plano XY, Z=-5, campo eléctrico, modo TT Figura 5-26. Plano XY, Z=-5, campo eléctrico, modo TN-S Si se ejecuta el modulo de simulación magnética tal y como se muestra en las figuras 527 y 5-28 se observan conclusiones análogas. El sistema TN-S genera valores de campo magnético en la zona hasta de un orden de magnitud inferior. Si bien la diferencia ahora respecto a valores normativos es muy grande al salir campos magnéticos muy bajos. Esto es debido a la consideración tomada para la simulación de montaje por ternas simétricas para cada sistema trifásico que permite compensar las fuentes de campo hasta limitarlas a valores residuales como los obtenidos. 132 “ANALISIS DE LA INFLUENCIA DEL RÉGIMEN DE NEUTRO EN LA COMPATIBILIDAD ELECTROMAGNÉTICA EN EDIFICIOS HOSPITALARIOS. PROPUESTA DE UNA NUEVA TECNICA CORRECTORA” PARTE III. ANÁLISIS TEÓRICO-EXPERIMENTAL Figura 5-27. Plano XY, Z=-5, campo magnético, modo TT Figura 5-28. Plano XY, Z=-5, campo magnético, modo TN-S El programa permite además de obtener los valores en un punto concreto del espacio hacer un barrido dentro de un plano concreto de corte para evaluar la distribución del campo en el mismo. A modo de ejemplo en las figuras 5-29 a 5-31 se representan las cuantificaciones de campo electromagnético en un plano significativo del espacio. Como se observa las conclusiones son las ya mencionadas, es decir el mejor comportamiento del sistema TN-S frente al TT en ambas magnitudes y en todo el plano de trabajo. En concreto en la figura 5-29 se muestra de forma tridimensional el plano escogido mientras que en la 5-30 y 5-31 se aportan los datos de campo eléctrico y magnético obtenidos respectivamente. 133 “ANALISIS DE LA INFLUENCIA DEL RÉGIMEN DE NEUTRO EN LA COMPATIBILIDAD ELECTROMAGNÉTICA EN EDIFICIOS HOSPITALARIOS. PROPUESTA DE UNA NUEVA TECNICA CORRECTORA” PARTE III. ANÁLISIS TEÓRICO-EXPERIMENTAL Figura 5-29. Corte en plano a evaluar 13.000 11.714 10.429 9.143 7.857 6.571 5.286 4.000 2.714 1.429 143 -1.143 -2.429 -3.714 -5.000 -6.286 -7.571 -8.857 -10.143 -11.429 -12.714 3,00 2,50 2,00 1,50 1,00 0,50 0,00 -14.000 E (V/m) Corte 1D - R1 Campo Eléctrico Posición Y (mm) Modo TT Modo TN-S Figura 5-30. Corte para X=-6055, Z=-5 (a mitad de rejilla), comparación de campo eléctrico entre ambos modos 13.000 11.714 10.429 9.143 7.857 6.571 5.286 4.000 2.714 1.429 143 -1.143 -2.429 -3.714 -5.000 -6.286 -7.571 -8.857 -10.143 -11.429 -12.714 5,0E-07 4,0E-07 3,0E-07 2,0E-07 1,0E-07 0,0E+00 -14.000 H (A/m) Corte 1D - R1 Campo Magnético Posición Y (mm) Modo TT Modo TN-S Figura 5-31. Corte para X=-6055, Z=-5 (a mitad de rejilla), comparación de campo magnético entre ambos modos 134 “ANALISIS DE LA INFLUENCIA DEL RÉGIMEN DE NEUTRO EN LA COMPATIBILIDAD ELECTROMAGNÉTICA EN EDIFICIOS HOSPITALARIOS. PROPUESTA DE UNA NUEVA TECNICA CORRECTORA” PARTE III. ANÁLISIS TEÓRICO-EXPERIMENTAL A continuación se muestran los otros tres puntos de medida seleccionados y referenciados en la figura 5-23. Se aportan los cálculos principales en cada punto de trabajo. No se han incluido más desarrollos en planos de trabajo al ser redundantes con el ya expuesto y llevar a conclusiones análogas. No obstante en el programa se han introducido, y están disponibles, numerosos cortes y simulaciones adicionales a las presentadas que se han considerado las mas clarificadoras para los objetivos del trabajo. MEDIDA 2 Siguiendo el esquema de trabajo de la medida 1 se aportan para este caso: - En la figura 5-32 una muestra de la vista en 3D del plano de medida. En las figuras 5-33 y 5-34 los cálculos de campo eléctrico obtenidos en cada modo de trabajo. En las figuras 5-35 y 5-36 los cálculos de campo magnético obtenidos en cada modo de trabajo. Figura 5-32. Vista 3D del plano de medida 2 En este punto de cálculo se siguen obteniendo diferencias entre ambos sistemas aunque ahora más reducidas. En concreto hay diferencias no superiores al 50 % a favor del montaje en TN-S frente al TT como se observa en los gráficos adjuntos. 135 “ANALISIS DE LA INFLUENCIA DEL RÉGIMEN DE NEUTRO EN LA COMPATIBILIDAD ELECTROMAGNÉTICA EN EDIFICIOS HOSPITALARIOS. PROPUESTA DE UNA NUEVA TECNICA CORRECTORA” PARTE III. ANÁLISIS TEÓRICO-EXPERIMENTAL Figura 5-33. Plano ZY, X=-6055, campo eléctrico, modo TT Figura 5-34. Plano ZY, X=-6055, campo eléctrico, modo TN-S 136 “ANALISIS DE LA INFLUENCIA DEL RÉGIMEN DE NEUTRO EN LA COMPATIBILIDAD ELECTROMAGNÉTICA EN EDIFICIOS HOSPITALARIOS. PROPUESTA DE UNA NUEVA TECNICA CORRECTORA” PARTE III. ANÁLISIS TEÓRICO-EXPERIMENTAL Figura 5-35. Plano ZY, X=-6055, campo magnético, modo TT Figura 5-36. Plano ZY, X=-6055, campo magnético, modo TN-S MEDIDA 3 Siguiendo el esquema de trabajo de la medida 1 se aportan para este caso nuevamente: - En la figura 5-37 una muestra de la vista en 3D del plano de medida. En las figuras 5-38 y 5-39 los cálculos de campo eléctrico obtenidos en cada modo de trabajo. En las figuras 5-40 y 5-41 los cálculos de campo magnético obtenidos en cada modo de trabajo. 137 “ANALISIS DE LA INFLUENCIA DEL RÉGIMEN DE NEUTRO EN LA COMPATIBILIDAD ELECTROMAGNÉTICA EN EDIFICIOS HOSPITALARIOS. PROPUESTA DE UNA NUEVA TECNICA CORRECTORA” PARTE III. ANÁLISIS TEÓRICO-EXPERIMENTAL Figura 5-37. Vista 3D del plano de medida 3 Figura 5-38. Plano ZY, X=7000, campo eléctrico, modo TT Figura 5-39. Plano ZY, X=7000, campo eléctrico, modo TN-S 138 “ANALISIS DE LA INFLUENCIA DEL RÉGIMEN DE NEUTRO EN LA COMPATIBILIDAD ELECTROMAGNÉTICA EN EDIFICIOS HOSPITALARIOS. PROPUESTA DE UNA NUEVA TECNICA CORRECTORA” PARTE III. ANÁLISIS TEÓRICO-EXPERIMENTAL Figura 5-40. Plano ZY, X=7000, campo magnético, modo TT Figura 5-41. Plano ZY, X=7000, campo magnético, modo TN-S MEDIDA 4 En esta última medida aportada se evalúan los parámetros de cálculo en las paredes del recinto en vez de en un punto espacial concreto. En concreto se simula el comportamiento en el semiplano inferior del habitáculo. Nuevamente siguiendo el esquema de trabajo anterior se aportan: - En las figuras 5-42 y 5-43 los cálculos de campo eléctrico obtenidos en cada modo de trabajo. En las figuras 5-44 y 5-45 los cálculos de campo magnético obtenidos en cada modo de trabajo. 139 “ANALISIS DE LA INFLUENCIA DEL RÉGIMEN DE NEUTRO EN LA COMPATIBILIDAD ELECTROMAGNÉTICA EN EDIFICIOS HOSPITALARIOS. PROPUESTA DE UNA NUEVA TECNICA CORRECTORA” PARTE III. ANÁLISIS TEÓRICO-EXPERIMENTAL Figura 5-42. Superficie del recinto, campo eléctrico, modo TT Figura 5-43. Superficie del recinto, campo eléctrico, modo TN-S 140 “ANALISIS DE LA INFLUENCIA DEL RÉGIMEN DE NEUTRO EN LA COMPATIBILIDAD ELECTROMAGNÉTICA EN EDIFICIOS HOSPITALARIOS. PROPUESTA DE UNA NUEVA TECNICA CORRECTORA” PARTE III. ANÁLISIS TEÓRICO-EXPERIMENTAL Figura 5-44. Superficie del recinto, campo magnético, modo TT Figura 5-45. Superficie del recinto, campo magnético, modo TN-S Como se puede observar la conclusión obtenida en todos los casos es análoga, es decir la afección del sistema TN-S en las variables electromagnéticas evaluadas es menor, y en algunos casos de forma muy significativa, que en el caso de emplear un sistema TT. 141 “ANALISIS DE LA INFLUENCIA DEL RÉGIMEN DE NEUTRO EN LA COMPATIBILIDAD ELECTROMAGNÉTICA EN EDIFICIOS HOSPITALARIOS. PROPUESTA DE UNA NUEVA TECNICA CORRECTORA” PARTE III. ANÁLISIS TEÓRICO-EXPERIMENTAL B) Incorporación al modelo de la infraestructura de comunicaciones y simulación del cuadro secundario al equipo terminal En el último tramo de la distribución eléctrica, el cableado eléctrico comparte distribución con el cableado de telecomunicaciones. Este punto es especialmente sensible a interferencias electromagnéticas por eso, hay varias normas que marcan los máximos campos permitidos así como condiciones específicas de montaje (separación entre canalizaciones, etc.). Se incorpora por tanto al modelo el cableado y canalización para este servicio. En concreto se incorpora un cable de cobre de par trenzado equivalente a los de transmisión de datos. El programa permite la introducción de cables desde categoría 5 a 6A. La metodología de incorporación de estos servicios es análoga a la descrita para el cableado eléctrico tal y como se muestra en las figuras adjuntas. En concreto para la simulación se selecciona un cable categoría 5 aunque en los Hospitales también hay de categoría 6A. En las figuras adjuntas (5-46 y 5-47) se muestra el esquema de montaje previsto para la simulación así como la pantalla de introducción de datos para este tipo de cableado. Figura 5-46. Esquema del cableado utilizado Figura 5-47. Entrada datos de cableado de comunicaciones en el programa CST 142 “ANALISIS DE LA INFLUENCIA DEL RÉGIMEN DE NEUTRO EN LA COMPATIBILIDAD ELECTROMAGNÉTICA EN EDIFICIOS HOSPITALARIOS. PROPUESTA DE UNA NUEVA TECNICA CORRECTORA” PARTE III. ANÁLISIS TEÓRICO-EXPERIMENTAL La elección de cableado simulado se muestra resumida en la tabla adjunta (Figura 5-48), donde a parte del cableado de alimentación utilizado anteriormente se añade cableado de telecomunicaciones. ID Agrupación de cables Forma Conductor Diámetro Material (mm2) Aislante Forma Material Diámetro (mm) Neutro 1 Circular Cobre 4.51 Circular XLPE 9.2 PEC 1 Circular Cobre 4.51 Circular XLPE 9.2 Eléctrico 4 Circular Cobre 5.64 (por cable) Circular XLPE 10 (por cable) Telecom. 5 Circular Cobre 3.61 Circular PVC 5.08 Figura 5-48. Caracterización del cableado El material de cobre se caracteriza por ser un conductor con un valor de conductividad de 58 MS/m. El material que actúa como dieléctrico es el XLPE (polietileno reticulado) con un valor de permitividad de 2.2, así como PVC con un valor de permitividad de 3. Para la distribución se ha seleccionado una canaleta plástica con separación interior entre zonas tal y como se muestra en la figura 5.49. Está simulada con material de PVC con una permitividad eléctrica de valor 3 y una permeabilidad magnética de valor 1. Figura 5-49. Modelado de canaleta de comunicaciones en el programa CST Para la modelización conjunta de los servicios eléctricos y de comunicaciones se ha empleado la separación a distintos niveles tal y como se observa en la figura 5.50 ubicando el cableado eléctrico en el extremo más alto, dejando un espacio vacío (el aire 143 “ANALISIS DE LA INFLUENCIA DEL RÉGIMEN DE NEUTRO EN LA COMPATIBILIDAD ELECTROMAGNÉTICA EN EDIFICIOS HOSPITALARIOS. PROPUESTA DE UNA NUEVA TECNICA CORRECTORA” PARTE III. ANÁLISIS TEÓRICO-EXPERIMENTAL es un buen elemento dieléctrico y ubicando en el otro extremo los servicios de comunicaciones). Figura 5-50. Espaciado incorporado para el modelado entre servicios eléctricos y de comunicaciones. Fuente: UNE HD 60364-4-444:2013 Toda la infraestructura eléctrica y de comunicaciones se modela hasta la conexión del equipo (equivalente al de electromedicina) al que se le dota de una envolvente al igual que en los tramos iniciales vistos desde el cuadro general de baja tensión (CGBT) al cuadro secundario. De esta forma el espacio de cálculo transcurre entre la envolvente o cuadro de salida y el punto de alimentación o envolvente de entrada. En las figuras 5-51 a 5-53 se muestra la sección de la canaleta diseñada siguiendo la normativa descrita y una imagen 3D del programa con la modelización en la zona de conexión del equipo. La distancia mínima por norma es de 20 cm al cableado eléctrico, por tanto se estudia la influencia a esta distancia. 144 “ANALISIS DE LA INFLUENCIA DEL RÉGIMEN DE NEUTRO EN LA COMPATIBILIDAD ELECTROMAGNÉTICA EN EDIFICIOS HOSPITALARIOS. PROPUESTA DE UNA NUEVA TECNICA CORRECTORA” PARTE III. ANÁLISIS TEÓRICO-EXPERIMENTAL . Figura 5-51. Sección transversal de la canaleta simulada Figura 5-52. Separación entre el cable de telecomunicaciones y la bandeja con el cableado eléctrico Figura 5-53. Modelado del servicio de comunicaciones hasta su entronque con la envolvente del equipo En los nodos de conexión han sido incorporados conectores que permiten agrupar los cables del mismo tipo, de tal manera que el cable de comunicaciones se encuentre en un 145 “ANALISIS DE LA INFLUENCIA DEL RÉGIMEN DE NEUTRO EN LA COMPATIBILIDAD ELECTROMAGNÉTICA EN EDIFICIOS HOSPITALARIOS. PROPUESTA DE UNA NUEVA TECNICA CORRECTORA” PARTE III. ANÁLISIS TEÓRICO-EXPERIMENTAL único punto de conexión. En la figura 5-54 se puede observar el conector diseñado para el cable de comunicaciones. Figura 5-54. Esquemático del conector de comunicaciones Operando como en la simulación anterior (explicada para el caso del CT1 a un cuadro secundario) se saca el mallado y posterior modelado del sistema en modelo 2D. Para este caso se ha supuesto una alimentación monofásica al equipo con ondas de tensión de 230 V de valor eficaz y 50 Hz de frecuencia. Los modelos obtenidos son análogos a los expuestos en el caso anterior. A modo de ejemplo se muestra el modelo simplificado obtenido para una conexión TT en la figura 5-55. Figura 5-55. Esquema de modelización simplificado en el tramo de cuadro secundario a equipo electro médico en el Hospital de Ceuta en esquema TT 146 “ANALISIS DE LA INFLUENCIA DEL RÉGIMEN DE NEUTRO EN LA COMPATIBILIDAD ELECTROMAGNÉTICA EN EDIFICIOS HOSPITALARIOS. PROPUESTA DE UNA NUEVA TECNICA CORRECTORA” PARTE III. ANÁLISIS TEÓRICO-EXPERIMENTAL Con los pasos marcados ya estamos en condiciones de evaluar los parámetros electromagnéticos más relevantes en el entorno del cableado de comunicaciones. A continuación se muestran las medidas obtenidas en dicho cableado. Corriente inducida en el cable de comunicaciones Caso Desequilibrado 7,00E-05 Corriente (A) 6,00E-05 5,00E-05 4,00E-05 3,00E-05 Modo TT 2,00E-05 Modo TN-S 1,00E-05 0,00E+00 40 42 44 46 48 50 52 54 56 58 60 Frecuencia (Hz) Figura 5-56. Corrientes que circulan por el cable de comunicaciones, circuito desequilibrado Corriente inducida en el cable de comunicaciones Caso Equilibrado 1,41E-05 Corriente (A) 1,21E-05 1,01E-05 8,10E-06 Modo TT 6,10E-06 Modo TN-S 4,10E-06 2,10E-06 1,00E-07 40 42 44 46 48 50 52 54 56 58 60 Frecuencia (Hz) Figura 5-57. Corrientes que circulan por el cable de comunicaciones, circuito equilibrado 147 “ANALISIS DE LA INFLUENCIA DEL RÉGIMEN DE NEUTRO EN LA COMPATIBILIDAD ELECTROMAGNÉTICA EN EDIFICIOS HOSPITALARIOS. PROPUESTA DE UNA NUEVA TECNICA CORRECTORA” PARTE III. ANÁLISIS TEÓRICO-EXPERIMENTAL En las figuras 5-56 y 5-7adjuntas se muestran los valores de corrientes inducidas en el cable de comunicaciones. Análogamente a lo obtenido en las simulaciones generales (figuras 5-21 y 5-22) se observa que un esquema de conexión TN-S es más favorable desde un punto de vista de funcionamiento que el TT. Si comparamos de forma efectiva el campo eléctrico generado en V/m en cada sistema de conexión tal y como se ha hecho en la figura 5-58 se aprecia, al igual que en simulaciones anteriores como el TN-S vuelve a ser más adecuado en su conexión a equipos que el TT. 3,00 2,50 E (V/m) 2,00 1,50 1,00 0,50 0,00 Posición Y (mm) Modo TT Modo TN-S Figura 5-58. Campo eléctrico (V/m) obtenido en ambos sistemas en el cableado de comunicaciones De forma análoga si se evalúa el campo magnético en el cableado de comunicaciones obteniendo los A/m generados en ambos sistemas tal y como se aprecia en la figura 5-59 se llega a conclusiones similares a las enunciadas en el epígrafe anterior. 148 “ANALISIS DE LA INFLUENCIA DEL RÉGIMEN DE NEUTRO EN LA COMPATIBILIDAD ELECTROMAGNÉTICA EN EDIFICIOS HOSPITALARIOS. PROPUESTA DE UNA NUEVA TECNICA CORRECTORA” PARTE III. ANÁLISIS TEÓRICO-EXPERIMENTAL H (A/m) 5,0E-08 4,5E-08 4,0E-08 3,5E-08 3,0E-08 2,5E-08 2,0E-08 1,5E-08 1,0E-08 5,0E-09 0,0E+00 Posición Y (mm) Modo TT Modo TN-S Figura 5-59. Campo eléctrico (A/m) obtenido en ambos sistemas en el cableado de comunicaciones 149 “ANALISIS DE LA INFLUENCIA DEL RÉGIMEN DE NEUTRO EN LA COMPATIBILIDAD ELECTROMAGNÉTICA EN EDIFICIOS HOSPITALARIOS. PROPUESTA DE UNA NUEVA TECNICA CORRECTORA” PARTE III. ANÁLISIS TEÓRICO-EXPERIMENTAL 150 “ANALISIS DE LA INFLUENCIA DEL RÉGIMEN DE NEUTRO EN LA COMPATIBILIDAD ELECTROMAGNÉTICA EN EDIFICIOS HOSPITALARIOS. PROPUESTA DE UNA NUEVA TECNICA CORRECTORA” PARTE IV. CONCLUSIONES PARTE IV: CONCLUSIONES 151 “ANALISIS DE LA INFLUENCIA DEL RÉGIMEN DE NEUTRO EN LA COMPATIBILIDAD ELECTROMAGNÉTICA EN EDIFICIOS HOSPITALARIOS. PROPUESTA DE UNA NUEVA TECNICA CORRECTORA” PARTE IV. CONCLUSIONES 152 “ANALISIS DE LA INFLUENCIA DEL RÉGIMEN DE NEUTRO EN LA COMPATIBILIDAD ELECTROMAGNÉTICA EN EDIFICIOS HOSPITALARIOS. PROPUESTA DE UNA NUEVA TECNICA CORRECTORA” PARTE IV. CONCLUSIONES 6 CAPÍTULO 6: CONCLUSIONES. MEDIDAS PROPUESTAS PARA LA MEJORA DE LA CEM EN EL AMBITO HOSPITALARIO. 6.1 CONCLUSIONES OBTENIDAS. ANÁLISIS DE LOS RESULTADOS. Sobre el primer objetivo consistente en establecer una propuesta de marco normativo donde se fijen los tipos de puesta a tierra en función del uso y tipología del edificio. Podemos concluir lo siguiente: El Reglamento Electrotécnico de de Baja Tensión no es concluyente respecto al régimen de neutro a emplear en cada instalación eléctrica, salvo excepciones muy concretas, dejando abierto al proyectista la elección del mismo. De esta forma la ITC- BT- 08 sobre “Sistemas de conexión del neutro y de las masas en redes de distribución de energía eléctrica” tiene un valor más divulgativo que normativo en este ámbito. La ausencia de regulación permite que en los distintos protagonistas del proceso de proyecto, ejecución y manteniendo del inmueble primen criterios no técnicos, como la facilidad de cálculo, ejecución o coste frente a criterios funcionales y de explotación. La mayoría de la normativa de países de nuestro entorno, tanto reglamentos de ámbito nacional como normativas locales de sus Comités de Normalización, en base a la evidencia técnica de funcionamiento de cada sistema de puesta a tierra, establece pautas de diseño en función del uso y configuración del inmueble e incluso obligación directa de proyectar y ejecutar la instalación eléctrica bajo un régimen de neutro concreto. Los comités normalizadores de ámbito internacional, tanto en el ámbito eléctrico como de comunicaciones recomiendan distintos régimen de neutros en función del tipo de edificación y uso de la misma. Por todo lo anterior en el epígrafe siguiente, en el punto 6.2.1., se desarrolla una propuesta de norma que modifique en su punto 3 a la mencionada ITC BT 08. Con la nueva redacción además de lograr una armonización con las normativas internacionales del entorno, si bien como se ha expuesto en epígrafes anteriores estas tienen peculiaridades debidas a la distinta concepción del sistema de alimentación al 153 “ANALISIS DE LA INFLUENCIA DEL RÉGIMEN DE NEUTRO EN LA COMPATIBILIDAD ELECTROMAGNÉTICA EN EDIFICIOS HOSPITALARIOS. PROPUESTA DE UNA NUEVA TECNICA CORRECTORA” PARTE IV. CONCLUSIONES usuario, se cubre el vacío existente en la normativa eléctrica española previniendo de origen distintos problemas habituales en explotación de inmuebles con alto grado de implantación de equipos vinculados a tecnologías de la información donde se incluyen los hospitales. Aunque la redacción de la norma se ha hecho para cubrir la globalidad de las edificaciones que requieren puesta a tierra, instalaciones bajo el amparo del REBT, en concreto para Hospitales la norma conduce a un sistema TN-S ya que las ventajas eléctricas que este sistema aporta a la instalación son las siguientes: No es preceptivo el empleo de DDRs (diferenciales) desde el CGBT (Cuadro General de Baja Tensión) hasta los cuadros secundarios. La protección contra contactos indirectos se realiza mediante el ajuste de los disparadores de “corto retardo” de los interruptores de máxima corriente. Se evita el “disparo intempestivo” de los DDRs de cabecera del cuadro del usuario (los de 30mA). Se cumple rigurosamente con la ITC-BT-38 del REBT en su punto 2.1.4 para líneas de alimentación a paneles de aislamiento donde no se permiten los DDRs como protección contra contactos indirectos, inevitables en otros sistemas. Por otro lado el cambio normativo en la línea comentada llevaría aparejado otras acciones que, con casi toda seguridad, serían beneficiosas para el sector como: Mayor conocimiento de todos los sistemas de puesta a tierra y sus implicaciones constructivas tanto en proyecto como en la implementación en obra. En este punto las Escuelas Técnicas tendrían un papel relevante al tener que ampliar su alcance formativo a sistemas no tan estándar y tener que abordar la instalación eléctrica desde su concepción inicial en función del tipo de edificio a electrificar. Mejora en la formación y adecuación del personal de mantenimiento eléctrico al tener que establecer labores de mantenimiento preventivo y correctivo más especializadas e involucradas de forma directa en la conducción del edificio. Mayor cualificación de las empresas instaladoras y de commissioning. Actualmente el REBT en su ITC BT 03 sobre “Instaladores autorizados en Baja Tensión” ya establece una categorización de los mismos clasificándolos en Categoría básica (IBTB) (aquellos que pueden realizar, mantener y reparar las instalaciones eléctricas para baja tensión en edificios, industrias, infraestructuras 154 “ANALISIS DE LA INFLUENCIA DEL RÉGIMEN DE NEUTRO EN LA COMPATIBILIDAD ELECTROMAGNÉTICA EN EDIFICIOS HOSPITALARIOS. PROPUESTA DE UNA NUEVA TECNICA CORRECTORA” PARTE IV. CONCLUSIONES que no se reserven a la categoría especialista) y categoría especialista (IBTE) para aquellos que puedan realizar, mantener y reparar las instalaciones de la categoría Básica y de tipo especial. La categoría Especial incluye las instalaciones siguientes: o Sistemas de automatización, gestión técnica de la energía y seguridad para viviendas y edificios. o Sistemas de control distribuido. o Sistemas de supervisión, control y adquisición de datos. o Control de procesos. o Líneas aéreas o subterráneas para distribución de energía. o Locales con riesgo de incendio o explosión. o Quirófanos y salas de intervención. o Lámparas de descarga en alta tensión, rótulos luminosos y similares. o Instalaciones generadoras de baja tensión. Aunque la inclusión de quirófanos y salas de Intervención sujetos a la ya mencionada ITC BT 38 justo se debe a la adopción de un sistema IT en dichas salas también sería recomendable extender esta obligación a sistemas construidos y operados bajo régimen de neutro TN-S ó TN-C. Sobre el segundo objetivo que era el analizar para un ámbito hospitalario qué sistema de puesta a tierra es más respetuoso con el funcionamiento de los equipos de electro medicina que alberga en su interior y tras la modelización hecha se demuestra que el impacto electromagnético del sistema TN-S es inferior al producido por el TT. En el capítulo 5 se han expuesto los resultados de las simulaciones donde se puede contrastar que: A) CONCLUSIONES VINCULADAS AL CAMPO ELÉCTRICO GENERADO Si bien el orden de magnitud es equivalente, cuantitativamente hablando, el sistema TN-S de puesta a tierra presenta menos campo eléctrico en el entorno de la zona de trabajo que el TT hasta en un 100 % según el punto de simulación. Esto ocurre en cualquier tramo de los simulados, tanto en distribuciones generales desde CGBT (Cuadro general de baja tensión) hasta CS (Cuadros Secundarios de reparto) como en las distribuciones capilares de alimentación a equipos. En cualquier caso los valores obtenidos están muy por debajo de los valores de exposición recomendados para este tipo de perturbaciones como se justificará en este mismo punto. 155 “ANALISIS DE LA INFLUENCIA DEL RÉGIMEN DE NEUTRO EN LA COMPATIBILIDAD ELECTROMAGNÉTICA EN EDIFICIOS HOSPITALARIOS. PROPUESTA DE UNA NUEVA TECNICA CORRECTORA” PARTE IV. CONCLUSIONES Si bien las mayores diferencias aparecen en las distribuciones generales es justo en estas zonas hospitalarias (vinculadas a galerías o paso de instalaciones) donde no hay presencia habitual de personas aunque sí de instalaciones de comunicaciones por lo que si no se respetan las distancias y distribuciones marcadas en las normas de referencia sí que se podía incurrir en algún funcionamiento anómalo de la instalación. Como se expuso en el Capítulo 4 sobre selección de parámetros de simulación la norma UNE-EN 60601-1-2:2008 sobre equipos electro médicos en su Parte 1-2 sobre requisitos generales para la seguridad básica y funcionamiento esencial y en concreto sobre ensayos de laboratorio exigibles establece únicamente criterios en base a variaciones de valores eficaces de la tensión (Vmrs), es en otros documentos normativos o recomendaciones internacionales más vinculados a exposiciones del usuario donde se establecen valores máximos de exposición en función de los V/m de campo generados. En concreto la OMS (Organización Mundial de la Salud) (ver tabla 6-1) en sus estudios sobre exposición a campos electromagnéticosi establece unos límites recomendados para la protección del público en general y niveles medios de exposición a campos de 50 Hz generados por las líneas de distribución eléctrica según se resume en la tabla adjunta. Niveles medios de exposición Bajo la línea Densidad de Intensidad de magnético campo eléctrico (µT) (V/m) 20-22 10.000 A 50 metros flujo Intensidad de campo Densidad de eléctrico (V/m) magnético (µT) 100 0,01 – 0,02 flujo Tabla 6-1. Niveles medios de exposición a campos de 50 Hz generados por las líneas de distribución eléctrica. Fuente: O.M.S. Así mismo, como ya se ha referenciado en capítulos anteriores, las recomendaciones de la Comisión Internacional de Protección contra la Radiación No Ionizante (ICNIRP), que es una organización no gubernamental, reconocida formalmente por la OMS, y que evalúa los resultados de estudios científicos realizados en todo el mundo, basándose en un análisis de las publicaciones científicas en revistas de alto nivel de impacto, ha elaborado unas directrices en las que establece límites de exposición recomendados. La última información publicada por este organismo y recogida por recomendaciones de ámbito nacional ([27] y ([28]) se muestra en la tabla 6.2 como resumen de los límites de exposición recomendados por la ICNIRP. 156 “ANALISIS DE LA INFLUENCIA DEL RÉGIMEN DE NEUTRO EN LA COMPATIBILIDAD ELECTROMAGNÉTICA EN EDIFICIOS HOSPITALARIOS. PROPUESTA DE UNA NUEVA TECNICA CORRECTORA” PARTE IV. CONCLUSIONES Frecuencia Límites de exposición para la población Límites de exposición ocupacionales Frecuencia de Frecuencia de la red eléctrica estaciones base de europea telefonía móvil 50 Hz 50 Hz 900 MHz Campo eléctrico (V/m) Campo magnético (µT) 5 000 100 Densidad de potencia (W/m2) 4,5 10 000 500 22,5 Frecuencia de los hornos de microondas 1,8 GHz 2,45 GHz Densidad Densidad de de potencia potencia (W/m2) (W/m2) 9 10 45 Tabla 6-2. Niveles medios de exposición a campos de 50 Hz generados por las líneas de distribución eléctrica. Fuente: ICNIRP, CEM guidelines, Health Physics 74, 494-522 (1998) Como se puede apreciar en la documentación generada en las simulaciones y aportada en el capítulo 5 (Figuras 5.14 a 5.21) ambos sistemas están muy por debajo de los límites en el punto de generación (bajo la línea eléctrica de alimentación) pero siendo el TN-S el que aporta menor nivel de campo que el TT. En concreto se obtienen umbrales de unos 1700 V/m en el caso del sistema TN-S frente a los 1400 V/m del TT sobre los conductores de alimentación (punto más desfavorable para el equipo y usuario). B) CONCLUSIONES VINCULADAS AL CAMPO MAGNÉTICO GENERADO En el ámbito magnético las conclusiones son análogas. Si bien la diferencia más significativa es que respecto a valores normativos de exposición y marcados en las normas de referencia la influencia es mayor desde el punto de vista cuantitativo que en el caso del campo eléctrico como se justificará a continuación. Como se expuso en el Capítulo 4, en este caso la norma UNE-EN 60601-1-2:2008 sobre equipos electro médicos en su Parte 1-2 sobre ensayos sí que establece de forma directa la medición del campo magnético en A/m como requisito funcional de los equipos en su entorno de trabajo. En la tabla 6.3 se resumen los requisitos mencionados. 157 “ANALISIS DE LA INFLUENCIA DEL RÉGIMEN DE NEUTRO EN LA COMPATIBILIDAD ELECTROMAGNÉTICA EN EDIFICIOS HOSPITALARIOS. PROPUESTA DE UNA NUEVA TECNICA CORRECTORA” PARTE IV. CONCLUSIONES Ensayo de inmunidad Campo magnético a frecuencia de red (50/60 Hz) según IEC 61000-4-8 Nivel de ensayo de la Norma IEC 60601 3 A/m Nivel de conformidad 0,3 A/m Tabla 6-3. Resumen de la tabla de ensayos del fabricante sobre inmunidad electromagnética. Fuente: Norma UNE-EN 60601-1-2:2008 Como se observa en las figuras con las salidas de datos de simulación (Figuras capítulo 5) el orden de magnitud resultante es muy inferior al nivel de conformidad admitido por lo que ambos sistemas cumplirían con la norma de referencia con holgura. No obstante el sistema TN-S genera mejores condiciones de funcionamiento alcanzando máximos del campo mucho menores que el esquema TT, es decir existen variaciones de hasta un orden de magnitud aunque siempre en valores lejanos a los normativos. Si contrastamos estos datos frente a los criterios de conformidad marcados para el campo eléctrico empleando las mismas fuentes los resultados lógicamente son análogos ya que los valores límite establecidos para el usuario son mayores que los descritos para la CEM de los equipos de electro medicina. Los valores de referencia se muestran en la tabla 6.4 como resumen de los límites de exposición recomendados por la ICNIRP ([27] y ([28]). Intervalo de frecuencia 0.025 – 0.82 kHz Intensidad de magnético en A/m 20/f campo Densidad de flujo magnético (µT) 25/f Tabla 6-4. Niveles medios de exposición a campos de 50 Hz generados por las líneas de distribución eléctrica. Fuente: ICNIRP, CEM guidelines, Health Physics 74, 494-522 (1998) La aplicación de este criterio para ondas a 50 Hz lleva a umbrales máximos de 0,4 A/m por lo que, como se ha comentado, las conclusiones expuestas siguen siendo válidas. Por tanto se confirma que lo indicado en la norma UNE 50310:2007, aunque en un contexto general para equipos de tecnología de información, es lo correcto. 158 “ANALISIS DE LA INFLUENCIA DEL RÉGIMEN DE NEUTRO EN LA COMPATIBILIDAD ELECTROMAGNÉTICA EN EDIFICIOS HOSPITALARIOS. PROPUESTA DE UNA NUEVA TECNICA CORRECTORA” PARTE IV. CONCLUSIONES En definitiva se demuestra la hipótesis enunciada al demostrar que en un ámbito hospitalario un régimen de neutro establecido según un sistema TN-S es más adecuado que el habitualmente proyectado que es el TT y que este sistema constituye, por diseño, una herramienta que, no solo facilita la explotación del inmueble desde un punto de vista eléctrico, sino que es una técnica correctora adecuada para generar un contexto electromagnético óptimo para el funcionamiento de los equipos de electro medicina que alberga en su interior. 159 “ANALISIS DE LA INFLUENCIA DEL RÉGIMEN DE NEUTRO EN LA COMPATIBILIDAD ELECTROMAGNÉTICA EN EDIFICIOS HOSPITALARIOS. PROPUESTA DE UNA NUEVA TECNICA CORRECTORA” PARTE IV. CONCLUSIONES 6.2 PROPUESTAS DE MEJORA 6.2.1 PROPUESTA DE NORMA EN EL ÁMBITO ELÉCTRICO. Una vez analizado todo el contexto normativo nacional e internacional así como las distintas publicaciones de relevancia de los esquemas de conexión del neutro y de las masas, se realiza una propuesta normativa a incorporar en el Reglamento Electrotécnico de Baja Tensión (REBT) tal y como se ha avanzado en el epígrafe anterior. Esta propuesta es una primera medida que permite por diseño inicial de la red eléctrica minimizar el impacto electromagnético de baja frecuencia en los sistemas de comunicaciones amén de mejorar la estabilidad eléctrica del Complejo como se ha ido justificando a lo largo del documento. De esta manera la ITC-BT-08: “Sistemas de conexión del neutro y de las masas en redes de distribución de energía eléctrica”, tendría la siguiente composición: 1. ESQUEMAS DE DISTRIBUCIÓN 1.1. 1.2. 1.3. Esquema TN Esquema TT Esquema IT 2. PRESCRIPCIONES ESPECIALES EN LAS REDES DISTRIBUCIÓN PARA LA APLICACIÓN DEL ESQUEMA TN DE 3. CRITERIOS DISTRIBUCIÓN DE DE SELECCIÓN DE ESQUEMAS El punto nº1 de la ITC-BT-08 se mantiene tal cual, en la propuesta de norma. En este punto se describen e identifican los diferentes esquemas de conexión a tierra del neutro de forma genérica. El punto nº2 también se mantiene en la propuesta de norma, ya que en él se dan prescripciones generales para las redes de distribución del Esquema TN en particular. En la propuesta de norma se considera adecuado incluir un nuevo punto que incluya criterios para la selección de los esquemas de distribución, que sería el punto nº3 de la ITC-BT-08, “Criterios de Selección de Esquemas de Distribución”. 160 “ANALISIS DE LA INFLUENCIA DEL RÉGIMEN DE NEUTRO EN LA COMPATIBILIDAD ELECTROMAGNÉTICA EN EDIFICIOS HOSPITALARIOS. PROPUESTA DE UNA NUEVA TECNICA CORRECTORA” PARTE IV. CONCLUSIONES En la actualidad el reglamento sólo indica que la elección de uno de los tres esquemas debe hacerse en función de las características técnicas y económicas de cada instalación, dejando al proyectista libertad para seleccionar el esquema de conexión a tierra más ventajoso. Sin embargo, habitualmente no se elige el régimen de neutro más conveniente, sino que está generalizada la disposición de esquemas de conexión a tierra del neutro TT por su simplicidad, aún en instalaciones en las cuales otro régimen de neutro (IT o TN) sea más adecuado. Es por ello, que se considera necesario que la normativa haga conciencia de esta cuestión, generando un punto denominado “Criterios de Selección de Esquemas de Distribución”. La selección de un determinado esquema de distribución vendrá definido por los siguientes factores: Instrucciones Técnicas Complementarias que exigen un determinado esquema de conexión, por ejemplo la ITC-BT-38 que exige transformadores de aislamiento (esquema IT) en Salas de Intervención y Quirófanos. Posibilidad de elegir un esquema de distribución concreto, al disponer de un transformador privado que permita su implantación. De no ser así y dado que red de distribución pública de baja tensión es en esquema TT, el régimen de neutro estaría condicionado a ser TT, al no haber posibilidad de conversión. Exigencias sobre la explotación y condiciones de funcionamiento de la instalación, como puede ser la continuidad del suministro. Condiciones y características del mantenimiento de la instalación. Algunos regímenes de neutro requieren de un mantenimiento eléctrico más especializado y con presencia física en el edificio, como por ejemplo el IT. Destacar que en una instalación eléctrica pueden coexistir diferentes regímenes de neutro, lo que es una garantía de poder obtener la mejor respuesta a las necesidades de continuidad del suministro y seguridad. Por tanto los esquemas de régimen a implementar en función del tipo de instalación serán los siguientes que se muestran en la tabla 6.5: 161 “ANALISIS DE LA INFLUENCIA DEL RÉGIMEN DE NEUTRO EN LA COMPATIBILIDAD ELECTROMAGNÉTICA EN EDIFICIOS HOSPITALARIOS. PROPUESTA DE UNA NUEVA TECNICA CORRECTORA” PARTE IV. CONCLUSIONES ESQUEMA DE DISTRIBUCIÓN MARCADO TIPOLOGÍA DE LA INSTALACIÓN Instalaciones que representan un riesgo de incendio o explosión alto y disponen de servicio de mantenimiento cualificado tales como industrias, refinerías, centros logísticos de almacenaje y equivalentes. Redes de control, supervisión, mando y control (se debe disponer de personal de mantenimiento), tanto edificios cuya labor sea la mencionada (torres de control aeroportuario o equivalente) como para infraestructuras dentro de inmuebles con estas características. IT Servicios de seguridad que funcionen en caso de incendio y deban garantizar la continuidad del servicio (se debe disponer de personal de mantenimiento) tales como sistemas de extinción, sistemas de gestión de humos o elementos vinculados a la evacuación de ocupantes. Redes eléctricas muy extensas o con corrientes esperadas de fuga altas como edificios de oficinas Instalaciones con posibilidad de perturbaciones electromagnéticas Instalaciones con equipos electrónicos o equipos informáticos tales como centros de cálculo, centros educativos, centros comerciales o equivalentes. TN-S Cargas con un nivel de aislamiento bajo (hornos eléctricos, soldaduras, elementos de caldeo, etc.) Redes generales de distribución eléctrica en Centros Sanitarios que dispongan de Quirófanos y Salas de Intervención Instalaciones que no dispongan de Centro de Transformación propio o de abonado. Se incluye edificación residencial. Instalaciones que representan un riesgo de incendio alto y no disponen de servicio de mantenimiento cualificado. El riesgo de incendio se definirá de acuerdo con lo dispuesto en el Documento Básico DB SI del Código Técnico de la Edificación en su versión vigente. TT Instalaciones sometidas a modificaciones frecuentes tales como fábricas, talleres o equivalente. En este caso se permite el cambio a sistema TN-S ó IT si el proyectista y propiedad lo solicitan. Tabla 6-5. Esquemas de distribución del neutro en función del tipo de instalación. 162 “ANALISIS DE LA INFLUENCIA DEL RÉGIMEN DE NEUTRO EN LA COMPATIBILIDAD ELECTROMAGNÉTICA EN EDIFICIOS HOSPITALARIOS. PROPUESTA DE UNA NUEVA TECNICA CORRECTORA” PARTE IV. CONCLUSIONES 6.2.2 LÍNEAS FUTURAS DE INVESTIGACIÓN. Dentro de las líneas de investigación que se podrían seguir vinculado al tema de la presente tesis se podrían enumerar los siguientes: No hay estudios que vinculen el origen de la fuente eléctrica (centros de transformación) y el origen de las técnicas de comunicaciones (Centros de Procesos de Datos y Repartidores Secundarios). En toda red de transmisión en la que la técnica de señalización esté basada en variación de tensión eléctrica, es crítico para el funcionamiento la referencia o cero de la misma en el nodo emisor (Repartidor Satélite de Comunicaciones) y el nodo receptor (Elemento Terminal). Por ello, a priori parece determinante que la referencia del sistema (TN-S o el escogido) sea la misma en el Repartidor Satélite, en todas las tomas de datos de su ámbito de actuación, en las tomas de corriente de las que se alimenta la electrónica y los receptores finales que tengan el ámbito de un mismo Repartidor Satélite. En definitiva coordinar la zonificación eléctrica de actuación de los Centros de Transformación con la zonificación de Repartidores Satélites de Comunicaciones, con el fin de que no haya Repartidores Satélites que tengan tomas de voz-datos con receptores alimentados desde dos Centros de Transformación diferentes a fin de evitar diferentes referencias a tierra parece lo adecuado. A día de hoy es difícil encontrar coordinación entre los diseñadores y ejecutores de ambas instalaciones por lo que si se marcaran unas pautas estudiadas y justificadas sobre el origen de ambas se podría mejorar en las técnicas de señalización cada vez más extendidas en todos los ámbitos. Aunque hay estudios y recomendaciones para la minimización de riesgos en los usuarios que desempeñan su labor en ambientes con alta carga informática o de equipamiento electrónico y en concreto en lo relativo a lipoatrofias semicircular, no hay estudios que vinculen el grado de exposición al tipo de régimen e neutro empleado y otros aspectos constructivos. La lipoatrofia semicircular es una enfermedad cutánea, benigna y reversible que consiste en una depresión en banda de la piel, en diferentes localizaciones, sin consecuencias importantes para la salud, que desaparece cuando finaliza la 163 “ANALISIS DE LA INFLUENCIA DEL RÉGIMEN DE NEUTRO EN LA COMPATIBILIDAD ELECTROMAGNÉTICA EN EDIFICIOS HOSPITALARIOS. PROPUESTA DE UNA NUEVA TECNICA CORRECTORA” PARTE IV. CONCLUSIONES exposición a los factores de riesgo que la causan. Entre estos está la exposición a campos electromagnéticos del usuario en su entorno de trabajo. No hay estudios en ámbitos laborales concretos donde se detecta esta enfermedad, normalmente vinculados a empresas de “call center”, operadores de telecomunicación y similares sobre qué sistema de puesta a tierra permite un mejor drenaje a tierra de las corrientes de defecto de la electrónica implementada y que minimice los niveles de exposición. Así mismo estudios sobre materiales a emplear en el mobiliario, así como su forma o disposición o que separaciones a los equipos que generen mayor grado de exposición serían recomendables para el trabajador no existen en la actualidad. No existe una norma o guía de diseño que recomiende o proponga materiales para aquellas salas, estancias o recintos dentro de un complejo hospitalario con alta implementación eléctrica o de equipos electro médicos. Si bien si que están definidos los niveles de exposición máximos para el personal médico y para el usuario en distintos servicios que generen mayor campo residual (TAC, aceleradores, etc.) y existe un control exhaustivo tanto en obra y recepción mediante el especialista radio físico como de forma periódica a través de las inspecciones del CSN (Consejo de Seguridad Nuclear), los materiales empleados no están regulados ni estudiados en todos los casos. La introducción de suelos conductivos, soluciones prefabricadas en estancias como quirófanos cada vez más habituales en la construcción, el empleo a lo mejor de forma estándar del plomo como elemento aislante, etc. son decisiones dejadas ahora a criterio del proyectista que sería interesante estudiar mediante herramientas de simulación así como desde un punto de vista constructivo. La riqueza y variedad de salas y usos que están en constante evolución por la introducción de nuevas técnicas de exploración u operación hace que el establecer criterios asociadas a la construcción basados en la durabilidad sin pérdida de prestaciones y adaptabilidad a nuevos equipos y sistemas del material empleado sea útil en el contexto de la arquitectura hospitalaria especializada. 164 “ANALISIS DE LA INFLUENCIA DEL RÉGIMEN DE NEUTRO EN LA COMPATIBILIDAD ELECTROMAGNÉTICA EN EDIFICIOS HOSPITALARIOS. PROPUESTA DE UNA NUEVA TECNICA CORRECTORA” PARTE V. ANEXOS PARTE V: ANEXOS 165 “ANALISIS DE LA INFLUENCIA DEL RÉGIMEN DE NEUTRO EN LA COMPATIBILIDAD ELECTROMAGNÉTICA EN EDIFICIOS HOSPITALARIOS. PROPUESTA DE UNA NUEVA TECNICA CORRECTORA” PARTE V. ANEXOS ANEXO I: SISTEMA DE PUESTA A TIERRA DEL HOSPITAL DE BURGOS. I.1 DESCRIPCIÓN DE LA RED DE TIERRAS E INFRAESTRUCTURA ELÉCTRICA A MODELIZAR En cumplimiento de la normativa sectorial de aplicación se han proyectado las siguientes redes de puesta a tierra que completan el sistema a modelizar: 1. 2. 3. 4. Red de puesta a tierra de Protección en Media Tensión. Redes de puesta a tierra de neutros de Transformadores (Servicio). Red de puesta a tierra de Protección en Baja Tensión. Red de puesta a tierra de la Estructura del Edificio. La primera de ellas (1) pone a tierra todos los elementos metálicos de la instalación de Media Tensión que normalmente no están sometidos a ella. Incluso se conectará a esta red la malla equipotencial prevista en el suelo del local destinado a Centro de Transformación. La segunda (2) pone a tierra independientemente cada uno de los neutros de transformadores que, al conectarlos a los barrajes de los CGBTs (Centros Generales de Baja Tensión) mediante los interruptores de B.T., quedarán unificados en una sola puesta a tierra cuyo valor no será superior a 2 ohmios (ITC-BT-08 apartado 2.e) con el fin de poder establecer un sistema TN-S tal y como se ha justificado en epígrafes anteriores de este documento. La tercera (3) pone a tierra todas las partes metálicas de la instalación de Baja Tensión que normalmente no están sometidas a ella; para lo cual se ha previsto una red de conductores en color amarillo-verde que uniéndolos entre sí las pone a tierra mediante un electrodo formado por picas de acero cobrizado, y a la que se ha de unir la tierra general de la estructura (ITC-BT-26 apartado 3), cuyo conjunto de puesta a tierra debe ser igual o inferior a 2. La cuarta (4) enlaza todas las armaduras metálicas de pilares entre sí mediante un cable de cobre desnudo de 50 mm2 enterrado a 50 cm por debajo de la primera solera del edificio. El enlace entre pilares y el cable desnudo de cobre se realiza con soldadura aluminotérmica. Para mejorar esta puesta a tierra se proyecta que para la red de distribución del alumbrado de urbanización, se entierre en la zanja directamente un cable de cobre desnudo de 35 166 “ANALISIS DE LA INFLUENCIA DEL RÉGIMEN DE NEUTRO EN LA COMPATIBILIDAD ELECTROMAGNÉTICA EN EDIFICIOS HOSPITALARIOS. PROPUESTA DE UNA NUEVA TECNICA CORRECTORA” PARTE V. ANEXOS mm2 destinado a enlazar entre si todas las picas de puesta a tierra instaladas en las arquetas de registro (una por luminaria) y que sirven de cable de protección para la instalación. Este cable, desde la luminaria (arqueta) más cercana al CGBT se derivará en cable aislado RV-0,6/1kV enterrado para su enlace con la barra general de tierras en dicho CGBT. El propósito con el enlace de puestas a tierra, es obtener un valor global de la puesta a tierra igual o inferior a 1 Ω, con lo que será posible enlazar este conjunto con la Puesta a Tierra de A.T. Todo ello de conformidad con la ITC-BT-18 punto 11 (último párrafo); pues la separación de Puestas a Tierra en un edificio es compleja. En todas las redes el enlace entre los electrodos de puesta a tierra y los puentes de comprobación a situar centralizados, se realizará con cable aislado tensión de aislamiento 0,6/1 kV. Los puentes de comprobación irán alojados en cajas aisladas individuales tensión de aislamiento igual o superior a 5 kV. El conjunto de estas redes constituyen, mediante sus interconexiones, la red general de puesta a tierra del edificio, permitiendo adoptar un sistema de régimen para el neutro del tipo TN-S. Con este fin, el sistema de distribución TN-S dispondrá de una instalación con una resistencia para el bucle de defecto a tierra equivalente a cero, pues estarán unidos directamente el conductor de protección CP y el conductor Neutro en el Cuadro General de B.T. (baja Tensión). Por tanto, con este sistema TN-S, sólo en el escalón de protección de la instalación más cercano a la utilización, se han previsto Dispositivos de disparo Diferencial por corriente Residual (DDRs) para la protección contra contactos indirectos. La ventaja principal del TN-S como se ha venido exponiendo en todo el documento está en que desde el Cuadro General de B.T. hasta el último escalón de protección, indicado anteriormente, no es preceptivo instalar DDRs (Dispositivos Diferenciales Residuales comúnmente llamados diferenciales) sino que la protección en esta instalación se puede realizar mediante el ajuste adecuado del disparo de “corto retardo” en los Interruptores de Máxima Corriente, que habiendo sido escogidos con criterio de Selectividad, garantizan con mayor seguridad la continuidad del suministro eléctrico en todo el hospital. Es más, facilita el cumplimiento de la ITC-BT-38 punto 2.1.4. donde se establece que “los dispositivos alimentados a través de un transformador de aislamiento no deben protegerse con diferenciales en el primario ni en el secundario del transformador”. Otra ventaja más del sistema de distribución TN-S está en que contribuye notablemente disminuyendo el disparo intempestivo de diferenciales, especialmente los de alta sensibilidad (30 mA), siendo los resultados obtenidos mucho más favorables que con el empleo único de interruptores diferenciales “superinmunizados” del tipo SI. Asimismo y sin detrimento de la seguridad en la utilización del suministro eléctrico, se puede 167 “ANALISIS DE LA INFLUENCIA DEL RÉGIMEN DE NEUTRO EN LA COMPATIBILIDAD ELECTROMAGNÉTICA EN EDIFICIOS HOSPITALARIOS. PROPUESTA DE UNA NUEVA TECNICA CORRECTORA” PARTE V. ANEXOS prescindir de los Dispositivos de disparo Diferencial por corriente Residual (diferenciales) de 30 mA en favor de los de 300 mA; esto siempre que se asegure la continuidad del conductor de protección (CP) hasta la utilización, ya que en el sistema TN-S la impedancia de defecto a tierra es prácticamente nula y sin variaciones temporales. I.2. MEDICIÓN RESISTENCIA DE PASO A TIERRA PARA EL MODELO Se aporta a continuación el informe de control de calidad de la obra en el que se define y justifica el valor de resistencia de puesta a tierra de los distintos electrodos mencionados y que son la base de modelización en el software de simulación. Las mediciones fueron realizadas por la empresa INTEINCO en octubre de 2011 como requisito previo a la entrega de la obra y firma del Certificado Final de la misma. En el documento oficial adjunto se expone el método de obtención (método de las tres picas con telurómetro) así como los valores obtenidos todo ello con equipos convenientemente calibrados y en condiciones secas del terreno. Para la mejor identificación de la red medida en el punto I.4 del presente Anexo se aportan los planos as built de la red proyectada y que es objeto de la modelización. 168 “ANALISIS DE LA INFLUENCIA DEL RÉGIMEN DE NEUTRO EN LA COMPATIBILIDAD ELECTROMAGNÉTICA EN EDIFICIOS HOSPITALARIOS. PROPUESTA DE UNA NUEVA TECNICA CORRECTORA” PARTE V. ANEXOS 169 “ANALISIS DE LA INFLUENCIA DEL RÉGIMEN DE NEUTRO EN LA COMPATIBILIDAD ELECTROMAGNÉTICA EN EDIFICIOS HOSPITALARIOS. PROPUESTA DE UNA NUEVA TECNICA CORRECTORA” PARTE V. ANEXOS 170 “ANALISIS DE LA INFLUENCIA DEL RÉGIMEN DE NEUTRO EN LA COMPATIBILIDAD ELECTROMAGNÉTICA EN EDIFICIOS HOSPITALARIOS. PROPUESTA DE UNA NUEVA TECNICA CORRECTORA” PARTE V. ANEXOS 171 “ANALISIS DE LA INFLUENCIA DEL RÉGIMEN DE NEUTRO EN LA COMPATIBILIDAD ELECTROMAGNÉTICA EN EDIFICIOS HOSPITALARIOS. PROPUESTA DE UNA NUEVA TECNICA CORRECTORA” PARTE V. ANEXOS 172 “ANALISIS DE LA INFLUENCIA DEL RÉGIMEN DE NEUTRO EN LA COMPATIBILIDAD ELECTROMAGNÉTICA EN EDIFICIOS HOSPITALARIOS. PROPUESTA DE UNA NUEVA TECNICA CORRECTORA” PARTE V. ANEXOS 173 “ANALISIS DE LA INFLUENCIA DEL RÉGIMEN DE NEUTRO EN LA COMPATIBILIDAD ELECTROMAGNÉTICA EN EDIFICIOS HOSPITALARIOS. PROPUESTA DE UNA NUEVA TECNICA CORRECTORA” PARTE V. ANEXOS 174 “ANALISIS DE LA INFLUENCIA DEL RÉGIMEN DE NEUTRO EN LA COMPATIBILIDAD ELECTROMAGNÉTICA EN EDIFICIOS HOSPITALARIOS. PROPUESTA DE UNA NUEVA TECNICA CORRECTORA” PARTE V. ANEXOS 175 “ANALISIS DE LA INFLUENCIA DEL RÉGIMEN DE NEUTRO EN LA COMPATIBILIDAD ELECTROMAGNÉTICA EN EDIFICIOS HOSPITALARIOS. PROPUESTA DE UNA NUEVA TECNICA CORRECTORA” PARTE V. ANEXOS 176 “ANALISIS DE LA INFLUENCIA DEL RÉGIMEN DE NEUTRO EN LA COMPATIBILIDAD ELECTROMAGNÉTICA EN EDIFICIOS HOSPITALARIOS. PROPUESTA DE UNA NUEVA TECNICA CORRECTORA” PARTE V. ANEXOS 177 “ANALISIS DE LA INFLUENCIA DEL RÉGIMEN DE NEUTRO EN LA COMPATIBILIDAD ELECTROMAGNÉTICA EN EDIFICIOS HOSPITALARIOS. PROPUESTA DE UNA NUEVA TECNICA CORRECTORA” PARTE V. ANEXOS 178 “ANALISIS DE LA INFLUENCIA DEL RÉGIMEN DE NEUTRO EN LA COMPATIBILIDAD ELECTROMAGNÉTICA EN EDIFICIOS HOSPITALARIOS. PROPUESTA DE UNA NUEVA TECNICA CORRECTORA” PARTE V. ANEXOS 179 “ANALISIS DE LA INFLUENCIA DEL RÉGIMEN DE NEUTRO EN LA COMPATIBILIDAD ELECTROMAGNÉTICA EN EDIFICIOS HOSPITALARIOS. PROPUESTA DE UNA NUEVA TECNICA CORRECTORA” PARTE V. ANEXOS 180 “ANALISIS DE LA INFLUENCIA DEL RÉGIMEN DE NEUTRO EN LA COMPATIBILIDAD ELECTROMAGNÉTICA EN EDIFICIOS HOSPITALARIOS. PROPUESTA DE UNA NUEVA TECNICA CORRECTORA” PARTE V. ANEXOS 181 “ANALISIS DE LA INFLUENCIA DEL RÉGIMEN DE NEUTRO EN LA COMPATIBILIDAD ELECTROMAGNÉTICA EN EDIFICIOS HOSPITALARIOS. PROPUESTA DE UNA NUEVA TECNICA CORRECTORA” PARTE V. ANEXOS 182 “ANALISIS DE LA INFLUENCIA DEL RÉGIMEN DE NEUTRO EN LA COMPATIBILIDAD ELECTROMAGNÉTICA EN EDIFICIOS HOSPITALARIOS. PROPUESTA DE UNA NUEVA TECNICA CORRECTORA” PARTE V. ANEXOS 183 “ANALISIS DE LA INFLUENCIA DEL RÉGIMEN DE NEUTRO EN LA COMPATIBILIDAD ELECTROMAGNÉTICA EN EDIFICIOS HOSPITALARIOS. PROPUESTA DE UNA NUEVA TECNICA CORRECTORA” PARTE V. ANEXOS 184 “ANALISIS DE LA INFLUENCIA DEL RÉGIMEN DE NEUTRO EN LA COMPATIBILIDAD ELECTROMAGNÉTICA EN EDIFICIOS HOSPITALARIOS. PROPUESTA DE UNA NUEVA TECNICA CORRECTORA” PARTE V. ANEXOS 185 “ANALISIS DE LA INFLUENCIA DEL RÉGIMEN DE NEUTRO EN LA COMPATIBILIDAD ELECTROMAGNÉTICA EN EDIFICIOS HOSPITALARIOS. PROPUESTA DE UNA NUEVA TECNICA CORRECTORA” PARTE V. ANEXOS I.3. CERTIFICADO DE REALIZACIÓN DEL PROYECTO Y DIRECCIÓN DE OBRA 186 “ANALISIS DE LA INFLUENCIA DEL RÉGIMEN DE NEUTRO EN LA COMPATIBILIDAD ELECTROMAGNÉTICA EN EDIFICIOS HOSPITALARIOS. PROPUESTA DE UNA NUEVA TECNICA CORRECTORA” PARTE V. ANEXOS 187 “ANALISIS DE LA INFLUENCIA DEL RÉGIMEN DE NEUTRO EN LA COMPATIBILIDAD ELECTROMAGNÉTICA EN EDIFICIOS HOSPITALARIOS. PROPUESTA DE UNA NUEVA TECNICA CORRECTORA” PARTE V. ANEXOS I.4 PLANOS BASE PARA LA MODELIZACIÓN *Para una mejor visualización se adjuntan los planos en tamaño original en una separata a este libro. 188 “ANALISIS DE LA INFLUENCIA DEL RÉGIMEN DE NEUTRO EN LA COMPATIBILIDAD ELECTROMAGNÉTICA EN EDIFICIOS HOSPITALARIOS. PROPUESTA DE UNA NUEVA TECNICA CORRECTORA” PARTE V. ANEXOS *Para una mejor visualización se adjuntan los planos en tamaño original en una separata a este libro. 189 “ANALISIS DE LA INFLUENCIA DEL RÉGIMEN DE NEUTRO EN LA COMPATIBILIDAD ELECTROMAGNÉTICA EN EDIFICIOS HOSPITALARIOS. PROPUESTA DE UNA NUEVA TECNICA CORRECTORA” PARTE V. ANEXOS *Para una mejor visualización se adjuntan los planos en tamaño original en una separata a este libro. 190 “ANALISIS DE LA INFLUENCIA DEL RÉGIMEN DE NEUTRO EN LA COMPATIBILIDAD ELECTROMAGNÉTICA EN EDIFICIOS HOSPITALARIOS. PROPUESTA DE UNA NUEVA TECNICA CORRECTORA” PARTE V. ANEXOS *Para una mejor visualización se adjuntan los planos en tamaño original en una separata a este libro. 191 “ANALISIS DE LA INFLUENCIA DEL RÉGIMEN DE NEUTRO EN LA COMPATIBILIDAD ELECTROMAGNÉTICA EN EDIFICIOS HOSPITALARIOS. PROPUESTA DE UNA NUEVA TECNICA CORRECTORA” PARTE V. ANEXOS *Para una mejor visualización se adjuntan los planos en tamaño original en una separata a este libro. 192 “ANALISIS DE LA INFLUENCIA DEL RÉGIMEN DE NEUTRO EN LA COMPATIBILIDAD ELECTROMAGNÉTICA EN EDIFICIOS HOSPITALARIOS. PROPUESTA DE UNA NUEVA TECNICA CORRECTORA” PARTE V. ANEXOS *Para una mejor visualización se adjuntan los planos en tamaño original en una separata a este libro. 193 “ANALISIS DE LA INFLUENCIA DEL RÉGIMEN DE NEUTRO EN LA COMPATIBILIDAD ELECTROMAGNÉTICA EN EDIFICIOS HOSPITALARIOS. PROPUESTA DE UNA NUEVA TECNICA CORRECTORA” PARTE V. ANEXOS *Para una mejor visualización se adjuntan los planos en tamaño original en una separata a este libro. 194 “ANALISIS DE LA INFLUENCIA DEL RÉGIMEN DE NEUTRO EN LA COMPATIBILIDAD ELECTROMAGNÉTICA EN EDIFICIOS HOSPITALARIOS. PROPUESTA DE UNA NUEVA TECNICA CORRECTORA” PARTE V. ANEXOS *Para una mejor visualización se adjuntan los planos en tamaño original en una separata a este libro. 195 “ANALISIS DE LA INFLUENCIA DEL RÉGIMEN DE NEUTRO EN LA COMPATIBILIDAD ELECTROMAGNÉTICA EN EDIFICIOS HOSPITALARIOS. PROPUESTA DE UNA NUEVA TECNICA CORRECTORA” PARTE V. ANEXOS *Para una mejor visualización se adjuntan los planos en tamaño original en una separata a este libro. 196 “ANALISIS DE LA INFLUENCIA DEL RÉGIMEN DE NEUTRO EN LA COMPATIBILIDAD ELECTROMAGNÉTICA EN EDIFICIOS HOSPITALARIOS. PROPUESTA DE UNA NUEVA TECNICA CORRECTORA” PARTE V. ANEXOS *Para una mejor visualización se adjuntan los planos en tamaño original en una separata a este libro. 197 “ANALISIS DE LA INFLUENCIA DEL RÉGIMEN DE NEUTRO EN LA COMPATIBILIDAD ELECTROMAGNÉTICA EN EDIFICIOS HOSPITALARIOS. PROPUESTA DE UNA NUEVA TECNICA CORRECTORA” PARTE V. ANEXOS *Para una mejor visualización se adjuntan los planos en tamaño original en una separata a este libro. 198 “ANALISIS DE LA INFLUENCIA DEL RÉGIMEN DE NEUTRO EN LA COMPATIBILIDAD ELECTROMAGNÉTICA EN EDIFICIOS HOSPITALARIOS. PROPUESTA DE UNA NUEVA TECNICA CORRECTORA” PARTE V. ANEXOS *Para una mejor visualización se adjuntan los planos en tamaño original en una separata a este libro 199 “ANALISIS DE LA INFLUENCIA DEL RÉGIMEN DE NEUTRO EN LA COMPATIBILIDAD ELECTROMAGNÉTICA EN EDIFICIOS HOSPITALARIOS. PROPUESTA DE UNA NUEVA TECNICA CORRECTORA” PARTE V. ANEXOS *Para una mejor visualización se adjuntan los planos en tamaño original en una separata a este libro 200 “ANALISIS DE LA INFLUENCIA DEL RÉGIMEN DE NEUTRO EN LA COMPATIBILIDAD ELECTROMAGNÉTICA EN EDIFICIOS HOSPITALARIOS. PROPUESTA DE UNA NUEVA TECNICA CORRECTORA” PARTE V. ANEXOS *Para una mejor visualización se adjuntan los planos en tamaño original en una separata a este libro 201 “ANALISIS DE LA INFLUENCIA DEL RÉGIMEN DE NEUTRO EN LA COMPATIBILIDAD ELECTROMAGNÉTICA EN EDIFICIOS HOSPITALARIOS. PROPUESTA DE UNA NUEVA TECNICA CORRECTORA” PARTE V. ANEXOS ANEXO II: SISTEMA DE UNIVERSITARIO DE CEUTA. PUESTA A TIERRA DEL HOSPITAL II.1. DESCRIPCIÓN DE LA RED DE TIERRAS E INFRAESTRUCTURA ELÉCTRICA A MODELIZAR El proyecto del Hospital de Ceuta fue proyectado y realizada la Dirección de Obra por el estudio Inglada- Arevalo Arquitectos que me han proporcionado el proyecto as built (memoria y planos) facilitando su modelización real (ver punto II.3 del presente Anexo). El proyecto y las instalaciones han sido verificadas en campo en distintas visitas en el marco del desarrollo de la tesis así como colaborando con la asistencia técnica de puesta en marcha realizada por D. Javier Álvarez Fernández como representación del INGESA (Instituto Nacional de Gestión Sanitaria) promotor del Hospital. Tras análisis del sistema de tierras prevista se observa que análogamente a lo expuesto para el Hospital de Burgos en cumplimiento de la normativa sectorial de aplicación se han proyectado las siguientes redes de puesta a tierra que completan el sistema a modelizar: 5. 6. 7. 8. Red de puesta a tierra de Protección en Media Tensión. Redes de puesta a tierra de neutros de Transformadores (Servicio). Red de puesta a tierra de Protección en Baja Tensión. Red de puesta a tierra de la Estructura del Edificio. La primera de ellas (1) pone a tierra todos los elementos metálicos de la instalación de Media Tensión que normalmente no están sometidos a ella al igual que en el Hospital de Burgos. La segunda (2) pone a tierra independientemente cada uno de los neutros de transformadores que, al conectarlos a los barrajes de los CGBTs (Centros Generales de Baja Tensión). La tercera (3) pone a tierra todas las partes metálicas de la instalación de Baja Tensión que normalmente no están sometidas a ella; para lo cual se ha previsto una red de conductores en color amarillo-verde que uniéndolos entre sí las pone a tierra mediante un electrodo formado por picas de acero cobrizado, y a la que se ha de unir la tierra general de la estructura (ITC-BT-26 apartado 3). 202 “ANALISIS DE LA INFLUENCIA DEL RÉGIMEN DE NEUTRO EN LA COMPATIBILIDAD ELECTROMAGNÉTICA EN EDIFICIOS HOSPITALARIOS. PROPUESTA DE UNA NUEVA TECNICA CORRECTORA” PARTE V. ANEXOS La cuarta (4) enlaza todas las armaduras metálicas de pilares entre sí mediante cable de cobre desnudo enterrado por debajo de la solera del edificio. El enlace entre pilares y el cable desnudo de cobre se realiza con soldadura aluminotérmica. El conjunto de estas redes constituyen la red general de puesta a tierra del edificio mediante el montaje de forma independiente ya que: El NEUTRO del transformador está puesto a TIERRA de forma directa e independiente. Las MASAS de los receptores eléctricos están conectadas a una toma de TIERRA independiente. La corriente de defecto (Ia) está limitada por la impedancia de las tomas de tierra: Id U0 230 Z A ZB Z A ZB La tensión de contacto (Uc) es: UC U0 ZA ZB Z A Si Uc es superior a la tensión UL, el DDR entra en acción a partir de que: U ID L RA Para la mejor identificación de las redes mencionadas en el punto II.4 del presente Anexo se aportan los planos as built de la red proyectada y que es objeto de la modelización. 203 “ANALISIS DE LA INFLUENCIA DEL RÉGIMEN DE NEUTRO EN LA COMPATIBILIDAD ELECTROMAGNÉTICA EN EDIFICIOS HOSPITALARIOS. PROPUESTA DE UNA NUEVA TECNICA CORRECTORA” PARTE V. ANEXOS II.2. MEDICIÓN RESISTENCIA DE PASO A TIERRA PARA EL MODELO Como en este edificio no he participado ni en el proyecto ni en la Dirección de Obra no he tenido acceso a los valores reales de paso a tierra del Hospital. Por eso se plantea una medición directa de la red ejecutada que poder pasar al modelo informático reproduciendo la realidad del sistema de puesta a tierra. Para estas mediciones he podido contar con la inestimable ayuda de D. Javier Domínguez Fernández Jefe del Servicio de Mantenimiento del Hospital Universitario de Ceuta y con la empresa ELECTROSUR CEUTA S.L. El alcance de las mediciones programadas corresponde a la medida de la resistencia de puesta a tierra actuando sobre los siguientes electrodos de la instalación eléctrica: Media Tensión: Entrada a dos celdas de salida para Centro de transformación 1 y Centro de transformación 2 Tierras Seccionamiento: Herraje y estructura Tierras del Centro de transformación 1: Neutro Transformador 1 Neutro Transformador 2 Neutro Transformador 3 Tierra Herrajes Tierra Cuadro General de Baja tensión Tierras del Centro de transformación 2: Neutro Transformador 1 Neutro Transformador 2 Neutro Transformador 3 Neutro Transformador 4 Tierra Herrajes Tierra Cuadro General de Baja tensión El método seguido, para garantizar la uniformidad de las medidas, en el seguido en el Hospital de Burgos y expuesto en el Anexo I (método de las tres picas con telurómetro). En el desarrollo de las medidas se han realizado las siguientes actividades: Comprobación en todos los casos la ausencia de tensión en tierra a medir. Desconexión de la toma de tierra del punto de puesta a tierra (reglada, borne, etc.) 204 “ANALISIS DE LA INFLUENCIA DEL RÉGIMEN DE NEUTRO EN LA COMPATIBILIDAD ELECTROMAGNÉTICA EN EDIFICIOS HOSPITALARIOS. PROPUESTA DE UNA NUEVA TECNICA CORRECTORA” PARTE V. ANEXOS Conexión de la toma de tierra al telurómetro. Situación de las sondas de tensión y de corriente en línea recta. Partiendo del punto de puesta a tierra, primero se coloca la de tensión y la más alejada la de corriente, según se indica en esquema adjunto marcado en el telurómetro de medida: Esquema AI.1. – Esquema conexión telurómetro. Se coloca la pica de tensión a 25 metros del punto de puesta a tierra (seccionamiento) y a la pica de corriente a 15 metros adicionales (es decir a 40 m del punto de puesta a tierra). Se efectúa la medición y se anota el valor. Una vez obtenido este valor, se acerca la sonda de tensión 1 m respecto al punto anterior y se vuelve a medir. Se repite la operación anterior pero esta vez alejándose 1 metro respecto al punto anterior y se vuelve a medir. Si los dos nuevos valores son idénticos al inicial, o la diferencia es de menos de (-3%) o (+3%) respectivamente, la medición se dará por correcta, puesto que estaríamos en zona lineal y se anotará en el informe como valor de resistencia de tierra (también se anotará la distancia de la sonda de tensión, en este caso 25 metros). Si las variaciones son mayores de las expresadas, alejaremos más ambas sondas. Así colocaremos la de tensión a 50 metros y la de corriente a 30 metros adicionales (es decir, a 80 metros del punto de puesta a tierra). Los valores obtenidos tras medición en mayo de 2014 se muestran a continuación: 205 “ANALISIS DE LA INFLUENCIA DEL RÉGIMEN DE NEUTRO EN LA COMPATIBILIDAD ELECTROMAGNÉTICA EN EDIFICIOS HOSPITALARIOS. PROPUESTA DE UNA NUEVA TECNICA CORRECTORA” PARTE V. ANEXOS Punto de medida Valor medida (Ω) Media Tensión: Entrada a dos celdas de salida para Centro de transformación 1 y Centro de transformación 2 0,62 Tierras Seccionamiento: Herraje y estructura 0,54 Tierras del Centro de transformación 1: - Neutro Transformador 1 3,3 - Neutro Transformador 2 3,18 - Neutro Transformador 3 Tierra Herrajes 17,6 - Tierra Cuadro General de Baja tensión 0,2 0,06 Tierras del Centro de transformación 2: - Neutro Transformador 1 0,01 - Neutro Transformador 2 0,03 - Neutro Transformador 3 Neutro Transformador 4 Tierra Herrajes Tierra Cuadro General de Baja tensión 0,1 0,01 8,23 0,02 Con estas medidas se justifican los valores de resistencia de puesta a tierra de los distintos electrodos mencionados y que son la base de modelización en el software de simulación empleado tal y como se ha mencionado en los epígrafes de la memoria correspondientes a las bases de partida para el cálculo. 206 “ANALISIS DE LA INFLUENCIA DEL RÉGIMEN DE NEUTRO EN LA COMPATIBILIDAD ELECTROMAGNÉTICA EN EDIFICIOS HOSPITALARIOS. PROPUESTA DE UNA NUEVA TECNICA CORRECTORA” PARTE V. ANEXOS II. 3. CERTIFICADO DE AUTORIZACIÓN DE EMPLEO DE DOCUMENTACIÓN PARA LA TESIS DOCTORAL 207 “ANALISIS DE LA INFLUENCIA DEL RÉGIMEN DE NEUTRO EN LA COMPATIBILIDAD ELECTROMAGNÉTICA EN EDIFICIOS HOSPITALARIOS. PROPUESTA DE UNA NUEVA TECNICA CORRECTORA” PARTE V. ANEXOS II.4. PLANOS BASE PARA LA MODELIZACIÓN 208 “ANALISIS DE LA INFLUENCIA DEL RÉGIMEN DE NEUTRO EN LA COMPATIBILIDAD ELECTROMAGNÉTICA EN EDIFICIOS HOSPITALARIOS. PROPUESTA DE UNA NUEVA TECNICA CORRECTORA” PARTE V. ANEXOS *Para una mejor visualización se adjuntan los planos en tamaño original en una separata a este libro 209 “ANALISIS DE LA INFLUENCIA DEL RÉGIMEN DE NEUTRO EN LA COMPATIBILIDAD ELECTROMAGNÉTICA EN EDIFICIOS HOSPITALARIOS. PROPUESTA DE UNA NUEVA TECNICA CORRECTORA” PARTE V. ANEXOS *Para una mejor visualización se adjuntan los planos en tamaño original en una separata a este libro 210 “ANALISIS DE LA INFLUENCIA DEL RÉGIMEN DE NEUTRO EN LA COMPATIBILIDAD ELECTROMAGNÉTICA EN EDIFICIOS HOSPITALARIOS. PROPUESTA DE UNA NUEVA TECNICA CORRECTORA” PARTE V. ANEXOS *Para una mejor visualización se adjuntan los planos en tamaño original en una separata a este libro 211 “ANALISIS DE LA INFLUENCIA DEL RÉGIMEN DE NEUTRO EN LA COMPATIBILIDAD ELECTROMAGNÉTICA EN EDIFICIOS HOSPITALARIOS. PROPUESTA DE UNA NUEVA TECNICA CORRECTORA” PARTE V. ANEXOS *Para una mejor visualización se adjuntan los planos en tamaño original en una separata a este libro 212 “ANALISIS DE LA INFLUENCIA DEL RÉGIMEN DE NEUTRO EN LA COMPATIBILIDAD ELECTROMAGNÉTICA EN EDIFICIOS HOSPITALARIOS. PROPUESTA DE UNA NUEVA TECNICA CORRECTORA” PARTE V. ANEXOS *Para una mejor visualización se adjuntan los planos en tamaño original en una separata a este libro 213 “ANALISIS DE LA INFLUENCIA DEL RÉGIMEN DE NEUTRO EN LA COMPATIBILIDAD ELECTROMAGNÉTICA EN EDIFICIOS HOSPITALARIOS. PROPUESTA DE UNA NUEVA TECNICA CORRECTORA” PARTE V. ANEXOS *Para una mejor visualización se adjuntan los planos en tamaño original en una separata a este libro 214 “ANALISIS DE LA INFLUENCIA DEL RÉGIMEN DE NEUTRO EN LA COMPATIBILIDAD ELECTROMAGNÉTICA EN EDIFICIOS HOSPITALARIOS. PROPUESTA DE UNA NUEVA TECNICA CORRECTORA” PARTE V. ANEXOS ANEXO III 215 “ANALISIS DE LA INFLUENCIA DEL RÉGIMEN DE NEUTRO EN LA COMPATIBILIDAD ELECTROMAGNÉTICA EN EDIFICIOS HOSPITALARIOS. PROPUESTA DE UNA NUEVA TECNICA CORRECTORA” PARTE V. ANEXOS III. PROGRAMAS DE SIMULACIÓN ELECTRICA Y ELECTROMAGNÉTICA EMPLEADOS: ETAP y CST. En este apartado se describirán los programas de simulación empleados en el desarrollo del presente trabajo y que han contribuido a validar la propuesta realizada. Se trata de dos programas diferenciados el ETAP y el CST. El primero de ellos, el ETAP, posibilita la simulación y caracterización eléctrica de sistemas de generación, conexión y distribución de energía eléctrica permitiendo obtener valores de tensiones y corrientes en régimen transitorio en diferentes nodos de la red. El segundo de ellos, el CST, logra calcular parámetros electromagnéticos que complementan las carencias del ETAP, de esta forma se obtienen valores de campo eléctrico y magnético en 2D y 3D en los elementos simulados. El empleo conjunto de ambos programas lleva a obtener caracterizaciones sumamente precisas de los elementos que conforman una compleja red de distribución eléctrica como las que forman parte de los edificios hospitalarios objetos de especial análisis y objetivo último de la presente tesis. A continuación se ofrece una breve descripción de ambos programas que incluye los métodos numéricos que lo soportan y la validación de los mismos por publicaciones científicas de alto nivel. 216 “ANALISIS DE LA INFLUENCIA DEL RÉGIMEN DE NEUTRO EN LA COMPATIBILIDAD ELECTROMAGNÉTICA EN EDIFICIOS HOSPITALARIOS. PROPUESTA DE UNA NUEVA TECNICA CORRECTORA” PARTE V. ANEXOS III.1 ETAP ETAP es hoy por hoy una de las herramientas más completas de análisis y control para el diseño, simulación, automatización de generación y operación de sistemas de potencia eléctricos de distribución e industriales. Ha sido desarrollado bajo unos altos estándares de calidad exigente y es utilizado como software de altas prestaciones por la comunidad científica y por empresas de ingeniería. ETAP presenta un robusto y probado algoritmo de análisis que se complementa con un entorno e interfaz de usuario muy amigable que añade una gran flexibilidad a la hora de realizar el modelado [S5-S7]. Este programa es ampliamente utilizado en todas las etapas del sistema de energía eléctrica, es decir, la generación, el trasporte, la distribución y el consumo de la misma. Sus características lo convierten en la mejor herramienta de simulación para la monitorización, simulación y optimización de los sistemas eléctricos. Keith Brown et al. [S8] introdujeron esta herramienta de simulación por medio de la inclusión de unas técnicas de simulación de alta precisión. Se emplea para la simulación interactiva de sistemas de potencia realizando los cálculos numéricos en unos reducidos y optimizados tiempos de ejecución. De forma similar a otro tipo de simuladores de esta clase, permite obtener las tensiones, intensidades y potencia que discurren por los distintos elementos del sistema simulado. Para ello, se pueden utilizar los tipos de simulación ‘Load Flow’ y ‘Unbalanced Load Flow’. La diferencia entre ellos, es que el segundo tiene un comportamiento más realista frente a sistemas con características especiales como por ejemplo mezcla de elementos trifásicos, bifásicos y monofásicos. El cálculo de los resultados se obtiene mediante los siguientes métodos matemáticos: - Newton-Raphson Newton-Raphson adaptativo Método desacoplado rápido Método Gauss-Seidel. Especialmente destacable de esta herramienta es su módulo ’Ground System’, basado en elementos finitos que permite el diseño y análisis de puesta a tierra. 217 “ANALISIS DE LA INFLUENCIA DEL RÉGIMEN DE NEUTRO EN LA COMPATIBILIDAD ELECTROMAGNÉTICA EN EDIFICIOS HOSPITALARIOS. PROPUESTA DE UNA NUEVA TECNICA CORRECTORA” PARTE V. ANEXOS En el esquema de conexión a tierra de los elementos es posible elegir entre los distintos modelos: TT, TN-S, TN-C, TN-C-S. Con la herramienta de detección automática de tierras, a través de un código de colores, permite al usuario una clara distinción de cómo están conectados los distintos elementos del sistema a tierra. En este módulo se integra la avanzada tecnología basada en diseño 3-D con la representación unifilar logrando una visualización virtual del diseño y la verificación de resultados por la aplicación de las intensidades de cortocircuito previamente calculadas. El usuario puede construir de una forma flexible diversas implantaciones de redes de tierra por la aplicación de esquemas pre-diseñados o modelos con gran nivel de detalle. Como principales características y atributos podemos destacar: - Metodología basada en la guía IEEE 80 y 665 - Cálculo por métodos de elementos finitos - Aplicación automática de resultados de cálculos de cortocircuito para validar el diseño - Diseño flexible por la ubicación de picas y conductores en cualquier dirección 3D - Optimización del número de picas y conductores en base al coste de suministro - Verificación de la intensidad máxima permitida en los conductores - Modelo de suelo de dos estratos incluyendo material en la superficie - Simulación estática y dinámica de arranque de motores - Tabla de resultados de las tensiones en la superficie incluso fuera de los límites modelados - Manipulación de redes con configuraciones regulares e irregulares donde pueden la ubicación de picas/conductores visualizarse en gráficos 3D. - Aplicación de diversos tipos de conductores disponibles en la librería de datos. En cuanto a las normas y métodos empleados: IEEE 80-1986. - IEEE 80-2000. - IEEE 665-1995. - Cálculo de elementos finitos. 218 “ANALISIS DE LA INFLUENCIA DEL RÉGIMEN DE NEUTRO EN LA COMPATIBILIDAD ELECTROMAGNÉTICA EN EDIFICIOS HOSPITALARIOS. PROPUESTA DE UNA NUEVA TECNICA CORRECTORA” PARTE V. ANEXOS Respecto a los cálculos posibles, se contemplan: - Factor de Reflexión (K). - Factor Decremental (Df). - Potencial absoluto de la red de tierras (GPR). - Resistencia de puesta a tierra (Rg). - Factor de ajuste de superficie (Cs). - Comparación de potenciales calculados con los límites tolerables. - Potencial de paso/contacto interna al área de la red de tierra y en el exterior. Como muestra de la potencialidad de este módulo se han publicado numerosos trabajos en congresos y revistas de alto impacto relativos al análisis de sistemas de puestas a tierra, efectos de motores, relés y líneas de transmisión sistemas eléctricos en edificios, etc., [S9-S15]. Este simulador presenta el inconveniente de no calcular los campos eléctricos ni magnéticos que se generarían debido a las corrientes que circulan a través de los distintos elementos del sistema. Para solventar esta limitación en el trabajo realizado, se ha recurrido al segundo software de simulación, CST, que a continuación asimismo se describe. 219 “ANALISIS DE LA INFLUENCIA DEL RÉGIMEN DE NEUTRO EN LA COMPATIBILIDAD ELECTROMAGNÉTICA EN EDIFICIOS HOSPITALARIOS. PROPUESTA DE UNA NUEVA TECNICA CORRECTORA” PARTE V. ANEXOS III.2. CST CST MICROWAVE STUDIO es un paquete completo de software para el análisis y diseño electromagnético y contiene un conjunto de módulos de simulación electromagnética en 2D y 3D que permiten simular un amplio abanico de escenarios. Este software proporciona una potente interfaz para el modelamiento de sólidos que se basa en el modelador ACIS. Después de que el componente ha sido modelado, se aplica, antes de iniciar la simulación, un procedimiento automático de mallado. Una característica clave de CST MICROWAVE STUDIO es el método de demanda (Method on Demand), proceso que permite utilizar el simulador o el tipo de malla que sea más adecuado para un problema particular. Todos los simuladores soportan redes hexahedrales con el método PBA, aproximación de frontera perfecta, (Perfect Boundary Approximation). Algunos también disponen de la técnica TST (Thin Sheet Technique). La aplicación de estas técnicas avanzadas, aumenta la precisión de la simulación sustancialmente en comparación con los simuladores convencionales. El software contiene tres técnicas de análisis y simulación diferentes: el Transient Solver para el análisis transitorio y Frequency Domain Solver y Eigenmode Solver para el análisis en el dominio de frecuencia. El Frequency Domain Solver contiene métodos especializados para el análisis de estructuras resonantes como filtros, además soporta tipos de mallas tanto hexahedral como tetraédrica. El Transient Solver, puede obtener toda la banda ancha de frecuencia para la simulación de dispositivos en una sola simulación. Este modo de simulación es muy eficiente para aplicaciones como conectores, líneas de trasporte, filtros, etc. El Transient Solver es menos eficiente en pequeñas estructuras eléctricas las cuales son más pequeñas que la longitud de onda más corta. En estos casos se utiliza el Frequency Domain Solver. CST también cuenta con un Eigenmode Solver el cual calcula eficientemente un número finito de modos en campos electromagnéticos cercanos. 220 “ANALISIS DE LA INFLUENCIA DEL RÉGIMEN DE NEUTRO EN LA COMPATIBILIDAD ELECTROMAGNÉTICA EN EDIFICIOS HOSPITALARIOS. PROPUESTA DE UNA NUEVA TECNICA CORRECTORA” PARTE V. ANEXOS Con los citados modos de análisis y simulación es posible realizar: - Cálculo eficiente de estructuras con y sin pérdidas - Cálculo de las distribuciones de campo como una función del tiempo o en múltiples frecuencias seleccionadas para una simulación Adaptable refinamiento de malla en 3D. - Propiedades de los materiales isotrópicos y anisotrópicos. - Frecuencia dependiente de las propiedades de los materiales. - Múltiples puertos para el modo TEM, puertos con conductores múltiples. - Excitación multipuertos y multimodo - Excitación de plano de onda (lineal, circular o polarización elíptica) - Cálculo de diferentes magnitudes electromagnéticas tales como los campos eléctricos, magnéticos, las corrientes superficiales, los flujos de energía eléctrica, las densidades de corriente, pérdida de densidad de potencia, densidades de energía eléctrica, densidades de energía magnética, tensiones en el tiempo y dominio de frecuencia. - Fuentes ideales de voltaje y corriente para problemas EMC. - El usuario define las señales de excitación o las importa desde una base de datos. El método numérico que principalmente soporta todas los análisis y simulaciones del software CST es el FDTD (Finite-Difference Time-Domain method) o método del dominio del tiempo por diferencias finitas. El Método de Diferencias Finitas (FDTD) permite la resolución con alta precisión de ecuaciones diferenciales en derivadas parciales definidas en recintos finitos. El método aunque parte del dominio del tiempo puede abordar un amplio rango de frecuencias. El método utiliza las ecuaciones temporales de Maxwell en derivadas parciales que se discretizan utilizando aproximaciones de diferencias centrales en el espacio y el tiempo de forma que la dimensión temporal y espacial pueden ser igualmente tratadas matemáticamente. La mayoría de los simuladores de dominio de tiempo basados en diferencias finitas emplean el método propuesto por Yee [S16,S17] y posteriormente desarrollado por Taflove y Brodwin [S18], que sustituyen las derivadas parciales en las ecuaciones de onda por diferencias finitas y que Weiland [S19] completó al desarrollar el método FDTD derivando la discretización equivalente mediante la integración finita de las ecuaciones de Maxwell. 221 “ANALISIS DE LA INFLUENCIA DEL RÉGIMEN DE NEUTRO EN LA COMPATIBILIDAD ELECTROMAGNÉTICA EN EDIFICIOS HOSPITALARIOS. PROPUESTA DE UNA NUEVA TECNICA CORRECTORA” PARTE V. ANEXOS Esta formulación inicial se ha actualizado para la obtener abordar objetos y recintos tridimensionales logrando una mejora del método de FDTD para la aproximar las ecuaciones rotacionales de Maxwell. Cabe destacar que para realizar un correcto análisis y simulación debe previamente a la misma realizarse un proceso inicial que debe contemplar una correcta definición de las condiciones de contorno del problema a abordar mediante la simulación. Como principales características computacionales de este software de simulación electromagnético son: - Menores requerimientos de memoria que los programas basados en el Método de los Momentos (MoM) o en método de los elementos finitos (FEM) - No se obtienen matrices a invertir de elevadas dimensiones - Capacidad de modelar materiales no lineales, fronteras, y dispositivos. - Capacidad de modelar materiales dispersivos en banda ancha mediante una única simulación. - Capacidad de modelar respuestas en el dominio del tiempo y transitorias (TDR). - Se adapta fácilmente a procesamiento paralelo. - La convergencia depende del mayado del objeto y del tiempo de ejecución. - La resolución temporal viene limitada por el criterio de estabilidad [S20]. - La discretización básica es uniforme en celdas cúbicas pero puede realizarse de forma adaptativa mediante una aproximación de curvas en forma de “escalera” de esta forma la modificación del mallado mejora la precisión de cálculo sin penalizaciones computacionales. Entre todos los módulos disponibles, para nuestro objetivo cabe destacar el CST EM Studio, orientado a simulaciones de baja frecuencias, y el CST Cable Studio dedicado al análisis de integridad de señal, emisiones conducidas, emisiones radiadas y susceptibilidad electromagnética de estructuras de cables. El módulo CST EM [S21] se emplea en simulaciones y análisis de estructuras que son muy pequeñas en comparación con una longitud de onda. Ente estas aplicaciones en baja frecuencia o estáticas cabe señalar: motores y generadores, interruptores y válvulas, 222 “ANALISIS DE LA INFLUENCIA DEL RÉGIMEN DE NEUTRO EN LA COMPATIBILIDAD ELECTROMAGNÉTICA EN EDIFICIOS HOSPITALARIOS. PROPUESTA DE UNA NUEVA TECNICA CORRECTORA” PARTE V. ANEXOS sensores y actuadores. Además de ayudar en el diseño de tales dispositivos, la simulación permite analizar el comportamiento del dispositivo bajo estudio analizando aspectos como que el apantallamiento sea el requerido, que las tensiones obtenidas estén por debajo de las de ruptura o que los niveles de campos electromagnéticos a los que estarán expuestos los trabajadores frente a un dispositivo con altas intensidades de campo como una máquina de soldadura eléctrica. En este segundo módulo, CST Cable Studio (CST CS) [S22], está dedicado al análisis tridimensional de la integridad de la señal (SI), emisión conducida (CE), emisiones radiadas (RE), y la susceptibilidad electromagnética (EMS) de estructuras de sistemas de cables complejos y eléctricamente grandes. CST CS está equipado con capacidades de visualización gráfica en 3D y esquemática 2D. Es sencillo ubicar puntos de monitorización tanto en los conectores como en los propios cables. CST CS está totalmente integrado en el CST ESTUDIO Suite de forma que puede intercambiar fácilmente datos con los simuladores 3D de CST Studio MICROONDAS para simulaciones de EMC/EMI. Aparte de tener una herramienta para definir las características de los cables de forma sencilla, se puede crear un modelado 2D de ellos. Este modelo puede ser utilizado en el módulo ‘Circuit Simulator’ para realizar simulaciones junto con el resto de elementos del sistema para obtener los voltajes y corrientes de cada uno de ellos. Una vez conocidas estas corrientes pueden ser utilizadas como fuente de alimentación de los cables modelados en 3D, permitiendo calcular los campos eléctricos y magnéticos que se generan debido a ellas. Debido a que no es un programa específico de simulación de sistemas de potencia, es de compleja dificultad realizar un modelado de los componentes que lo forman. Finalmente y de forma análoga a lo descrito para el ETAP, el software CST en sus diferentes módulos (CST EM y CST CS) aplicados para el análisis y validación del presente trabajo se han publicado numerosos contribuciones científicas en congresos y revistas de alto impacto relativos al análisis en baja frecuencia y estática, en dispositivos y cables determinando con precisión la distribución de los campos electromagnéticos [S23-S28]. 223 “ANALISIS DE LA INFLUENCIA DEL RÉGIMEN DE NEUTRO EN LA COMPATIBILIDAD ELECTROMAGNÉTICA EN EDIFICIOS HOSPITALARIOS. PROPUESTA DE UNA NUEVA TECNICA CORRECTORA” PARTE V. ANEXOS III.3. El método FTDT 1. Introducción Una de las formas más directas, y al menos en principio, más sencillas de resolver ecuaciones diferenciales, es utilizar métodos basados en la aproximación de los operadores diferenciales por operadores en diferencias finitas. Estas técnicas permiten sustituir un problema diferencial por otro equivalente de tipo algebraico. Normalmente, dada una ecuación diferencial, su aproximación mediante diferencias finitas no es única. La elección de uno u otro tipo de aproximación depende de varios factores tales como el grado de complejidad del problema algebraico resultante y la exactitud de la solución. Además, es necesario tener ciertas precauciones a la hora de resolver el problema, ya que no cualquier ecuación diferencial admite su correcta discretización mediante cualquier esquema en diferencias finitas, sino que es necesario asegurar cuestiones tales como la consistencia, estabilidad y convergencia de la aproximación. Además hay que tener en cuenta otros aspectos como los errores de truncamiento y redondeo y, por supuesto, el esfuerzo computacional que conlleva la solución resultante. El objetivo de este capítulo es presentar el método de diferencias finitas para resolver ecuaciones diferenciales en derivadas parciales y, en concreto, una serie de técnicas usadas para la resolución de las ecuaciones de Maxwell en el dominio del tiempo y reunidas bajo la denominación de método de las Diferencias Finitas en el Dominio del Tiempo o método FDTD. Comenzaremos el capítulo con un breve repaso de las ecuaciones de Maxwell en forma diferencial. A continuación, se introduce el concepto de diferencias finitas y se muestra la metodología para aproximar funciones continuas mediante aproximaciones en diferencias. Posteriormente, se introduce el método FDTD tal y como fue propuesto por Yee, deduciendo las ecuaciones fundamentales del método FDTD convencional. Además, a partir de la formulación integral de las ecuaciones de Maxwell, se deducen las ecuaciones que rigen el método FDTD para medios no homogéneos. Una vez presentado el método FDTD como un esquema diferencias, se tratan aspectos tales como la estabilidad numérica del algoritmo resultante y una serie de fenómenos asociados a la discretización, haciendo especial énfasis en el de la dispersión numérica. 2. Formulación de problemas electromagnéticos. Ecuaciones de Maxwell Las Ecuaciones de Maxwell describen el comportamiento en el espacio y en el tiempo de los campos electromagnéticos, éstas tienen su origen en diversos trabajos experimentales y se pueden escribir tanto en forma integral como en forma diferencial, siendo esta última la forma más utilizada para formular problemas electromagnéticos con valores en la 224 “ANALISIS DE LA INFLUENCIA DEL RÉGIMEN DE NEUTRO EN LA COMPATIBILIDAD ELECTROMAGNÉTICA EN EDIFICIOS HOSPITALARIOS. PROPUESTA DE UNA NUEVA TECNICA CORRECTORA” PARTE V. ANEXOS frontera, es decir aquellos problemas en los que intervienen un conjunto de condiciones de borde que particularizan la situación física que es objeto de estudio desde el punto de vista electromagnético. En un medio constituido por materia simple, las Ecuaciones de Maxwell expresadas en el sistema cartesiano son las siguientes: es el campo eléctrico [V/m] es el vector desplazamiento eléctrico [C/m] es la densidad de flujo magnético o inducción magnética el campo eléctrico en [Wb/m2] vector intensidad de campo magnético [A/m] : densidad d ecorriente d econducción [A/m2] densidad de corriente impresa [A/m2] : campo eléctrico en [v/m] : densidad volumetrica de carga libre [C/m3] La primera ecuación (ec.1a), es la Ley de Faraday, la segunda (ec.1b), es conocida como Ley de Ampere Generalizada y las últimas dos (ec.1c) y (ec.1d), son las Leyes de Gauss para campo eléctrico y campo magnético respectivamente. Todas las magnitudes anteriores son funciones de la posición y del tiempo . Las fuentes del campo electromagnético son las densidades de corrientes impresas y y la densidad de carga libre . Las ecuaciones de Maxwell expresadas en las ecuaciones de (ec.1a) a (ec. 1d), son lineales, pero no son independientes entre sí. En realidad basta con considerar las ecuaciones del rotacional ya que éstas contienen las ecuaciones de la divergencia. Esto se puede ver de forma sencilla tomando divergencia en las ecuaciones en rotor, es decir a las ecuaciones (ec.1a) y (ec.1b) y haciendo valer la ecuación de continuidad de corrientes [1]. En definitiva, si imponemos que las un conjunto de condiciones de borde adecuadas y resolvemos las ecuaciones del rotacional, los campos solución deben verificar las ecuaciones de la divergencia en todo instante de tiempo. 225 “ANALISIS DE LA INFLUENCIA DEL RÉGIMEN DE NEUTRO EN LA COMPATIBILIDAD ELECTROMAGNÉTICA EN EDIFICIOS HOSPITALARIOS. PROPUESTA DE UNA NUEVA TECNICA CORRECTORA” PARTE V. ANEXOS Los campos E y B se consideran magnitudes fundamentales, mientras que los campos , , y , son magnitudes macroscópicas que miden la respuesta del medio a la presencia del campo electromagnético. Estos dos grupos de magnitudes se relacionan entre sí mediante las siguientes relaciones constitutivas: Los paréntesis en la ecuación anterior (ec.2), indican que las relaciones entre las distintas magnitudes no son necesariamente simples y pueden depender de la memoria o histéresis, pueden ser no lineales, anisotrópos, etc. Para el caso de materia simple, es decir, lineal, homogénea e isotrópica, estas relaciones toman la forma que sigue: Donde: : permitividad electrica del medio [F/m] : conductividad eléctrica del medio [S/m] permeabilidad magnética del medio [H/m] 3. Condiciones de contorno Haciendo uso del Teorema de Stokes y del Teorema de la Divergencia o de Gauss podemos escribir se pueden escribir las ecuaciones de Maxwell en forma integral como sigue: 226 “ANALISIS DE LA INFLUENCIA DEL RÉGIMEN DE NEUTRO EN LA COMPATIBILIDAD ELECTROMAGNÉTICA EN EDIFICIOS HOSPITALARIOS. PROPUESTA DE UNA NUEVA TECNICA CORRECTORA” PARTE V. ANEXOS En donde ”C” es un camino cerrado a lo largo del cual se realizan las circulaciones indicadas en las ecuaciones (ec.4a) y (ec.4b), respectivamente, mientras que ”S” es cualquier superficie abierta que tenga como límites al camino ”C”. En las ecuaciones (ec.4c) y (ec.4d), la superficie ”S” es cerrada. Las anteriores ecuaciones son de particular utilidad al tratar de evaluar el comportamiento de los campos en la frontera que separa dos medios de propiedades electromagnéticas distintas, comportamiento éste que es conocido como condiciones de borde o de frontera. La figura 1, muestra las componentes los campos y en la frontera que separa dos medios de propiedades electromagnéticas distintas y en las que se pueden visualizar el camino ”C” y la superficie así como también las cargas y corrientes que eventualmente puedan existir en dicha frontera identificadas como . Densidad superficial de carga libre en C/m2 y : Densidad de corriente superficial en A/m2, así como también el vector unitario característico de la dirección normal a la frontera . Figura 1: Condiciones de contorno Entonces las condiciones de borde que describen el comportamiento de las componentes tangenciales de los campos electromagnéticos en la frontera de la figura 1, se pueden obtener al aplicar las ecuaciones integrales de Maxwell, ecuaciones (ec.4a) y (ec.4b) para el camino ”C”, que acota a la superficie ”S”. De igual manera se procede para determinar el comportamiento de las componentes normales de los campos y , pero ahora se aplican las ecuaciones integrales (ec.4c) y (ec.4d) en alguna superficie cerrada S’ que contenga a la frontera , al realizar esto se obtiene: 227 “ANALISIS DE LA INFLUENCIA DEL RÉGIMEN DE NEUTRO EN LA COMPATIBILIDAD ELECTROMAGNÉTICA EN EDIFICIOS HOSPITALARIOS. PROPUESTA DE UNA NUEVA TECNICA CORRECTORA” PARTE V. ANEXOS La ecuación (ec.5a) señala que la componente tangencial del campo eléctrico siempre es continua en la frontera que separa los dos medios, la ecuación (ec.5b) indica que siempre que existan corrientes superficiales libres en la frontera, tal y como indica la figura 1, la magnitud de esas corrientes es la medida de la discontinuidad de la componente tangencial del vector campo magnético. De igual manera la ecuación (ec.5c) establece que la magnitud de la discontinuidad de la componente normal del vector desplazamiento eléctrico en la frontera es igual a la magnitud de la carga libre superficial depositada en ella, mientras que la ecuación (ec.5d) informa que la componente normal del vector inducción magnética es siempre continua en la frontera. 2.4. Diferencias Finitas. Generalidades Las ecuaciones de Maxwell pertenecen a la clase de ecuaciones diferenciales denominadas ecuaciones hiperbólicas. A continuación se estudiarán de manera sucinta los conceptos básicos asociados a la teoría de aproximación en diferencias finitas de operadores diferenciales tales como las derivadas parciales contenidas en las ecuaciones de Maxwell. El método de las diferencias finitas fue desarrollado por A. Thom [2]. Este método transforma una ecuación diferencial en una ecuación algebraica de aproximaciones en diferencias finitas que relaciona los valores de las variables de interés en todos los puntos de la región de estudio [3]. Para resolver ecuaciones diferenciales mediante diferencias finitas se deben seguir los siguientes cuatro pasos: Discretización de la región de interés para la construcción de una malla o cuadricula de celdas elementales de cómputo con dimensiones , , . Aproximación numérica de las ecuaciones diferenciales de interés, en ecuaciones en diferencias finitas equivalentes que relacionen la variable independiente con las variables dependientes en la región señalada anteriormente. Imposición de las condiciones de contorno. Resolución de las ecuaciones discretizadas mediante algún método numérico conocido. 2.4.1. Discretización de ecuaciones diferenciales hiperbólicas mediante diferencias finitas De forma general, una ecuación en derivadas parciales puede expresarse como: 228 “ANALISIS DE LA INFLUENCIA DEL RÉGIMEN DE NEUTRO EN LA COMPATIBILIDAD ELECTROMAGNÉTICA EN EDIFICIOS HOSPITALARIOS. PROPUESTA DE UNA NUEVA TECNICA CORRECTORA” PARTE V. ANEXOS Donde , es una función multidimensional del espacio y el tiempo y la función dependerá al menos de una de las derivadas parciales indicadas en la ecuación (ec.6), el orden de la ecuación diferencial será aquel que corresponda a la derivada parcial de mayor orden. Cuando se enfrenta la tarea de resolver una ecuación diferencial se requiere considerar, además de la propia ecuación, unas condiciones iniciales y/o de contorno. Estas condiciones auxiliares junto con la propia ecuación deben constituir un problema bien definido, es decir, es necesario garantizar la existencia y unicidad de la solución. Como ya se ha indicado, la resolución se abordará numéricamente y de forma discreta utilizando para ello el método de las diferencias finitas. En este método la ecuación diferencial continua original se resuelve de forma aproximada en un conjunto finito de puntos localizados en el dominio donde se desea encontrar la solución, es decir, se transforma el problema de un dominio continuo, a otro dominio de tipo discreto, constituido por un número finito de puntos (nodos), vértices de las celdas elementales de cómputo generadas de la discretización del dominio continuo. Al dominio discreto algunas veces se le denomina dominio computacional. En la figura 2, puede verse un esquema en el que una región espacio-temporal es discretizada generándose una cuadricula de tres dimensiones. Para referirse a un punto (nodo) de la cuadricula de coordenadas (x, y, z), en un instante de tiempo t, se utilizará un índice según cada una de las variables independientes de tal manera que un punto genérico en una cuadrícula espacio-temporal de tres dimensiones espaciales se denotará por: Figura 2: Discretización espacial de la región de interés. Cuadricula de cálculo. Dónde: , , , son los incrementos espaciales y el paso temporal, en general: , lo que conforma una cuadricula uniforme, y entonces 229 “ANALISIS DE LA INFLUENCIA DEL RÉGIMEN DE NEUTRO EN LA COMPATIBILIDAD ELECTROMAGNÉTICA EN EDIFICIOS HOSPITALARIOS. PROPUESTA DE UNA NUEVA TECNICA CORRECTORA” PARTE V. ANEXOS , representan los índices de paso espacial en cada dirección del espacio, de igual manera el tiempo es discretizado como t = nt , donde el índice de paso temporal es entonces . Entonces una función del espacio y el tiempo representada en la cuadricula en un punto (x,y,z), en el instante de tiempo t, toma la siguiente forma en notación resumida: 2.4.2. Diferencias Finitas. Fundamentos Matemáticos. El fundamento matemático de los métodos de diferencias finitas es la expansión de una función en serie de potencias de Taylor. Este desarrollo permite predecir el comportamiento global de una función con tan sólo conocer el valor de la función y de todas sus derivadas en un punto . El desarrollo en serie de Taylor de una función monoevaluada, finita y continua en el punto , vale: Esta expresión puede también escribirse como: La expresión (ec.10), evalúa la función, en el punto a partir de los valores de la función y sus derivadas en el punto . Esta expresión puede también ser escrita en forma resumida como: 230 “ANALISIS DE LA INFLUENCIA DEL RÉGIMEN DE NEUTRO EN LA COMPATIBILIDAD ELECTROMAGNÉTICA EN EDIFICIOS HOSPITALARIOS. PROPUESTA DE UNA NUEVA TECNICA CORRECTORA” PARTE V. ANEXOS Por lo que es evidente que: Este último término (ec.12), mide el orden del error que se comete al aproximar, mediante un número finito de elementos de la serie, la función , en el punto al valor que tiene la misma en el punto xi: es decir, en el caso que se ilustra en las expresiones (ec.10) y (ec.11), la serie se trunca en el término de orden dos, es decir la aproximación tiene una precisión de segundo orden (también se dice que tiene un error de truncamiento de orden dos) por lo que el término , contabiliza el error cometido al suprimir todos los términos siguientes (es decir desde el término de tercer orden en adelante). En general si es muy pequeño el primer término suprimido en las serie determina la magnitud del error cometido en la aproximación. A partir de los desarrollos anteriores se pueden obtienen las expresiones en diferencias finitas que permiten calcular el valor de una función o sus derivadas en un punto cualquiera de la siguiente manera dependiendo de la dirección en que se haga la aproximación como sigue: Aproximación de la primera derivada mediante diferencias finitas por la derecha: Si (ec.10), se hace y se despeja de la primera derivada se tiene: Esta expresión puede reescribirse como: En donde el término: 231 “ANALISIS DE LA INFLUENCIA DEL RÉGIMEN DE NEUTRO EN LA COMPATIBILIDAD ELECTROMAGNÉTICA EN EDIFICIOS HOSPITALARIOS. PROPUESTA DE UNA NUEVA TECNICA CORRECTORA” PARTE V. ANEXOS Mide la contribución del resto de los términos de orden superior a uno en (ec.13). Si es suficientemente pequeño como para despreciar los términos de orden superior a uno en (ec.13), entonces la primera derivada de la función en , con un error de orden de magnitud , o también con precisión de primer orden, será: Esta aproximación de la primera derivada mediante diferencias finitas se conoce como aproximación hacia adelante o por la derecha. Además, puesto que el primer término tiene dependencia de orden uno en , diremos que esta aproximación de la derivada presenta un error de truncamiento de primer orden. Aproximación de la primera derivada mediante diferencias finitas por la izquierda. Si en (ec.19), se toma y se despejar el término de la primera derivada, se tendrá: Que en forma resumida será: En la que: Al igual que el caso anterior si es suficientemente pequeño, queda: La ecuación (ec.20), se conoce como aproximación de la primera derivada hacia atrás o por la izquierda. Al igual que en el caso anterior, esta aproximación presenta un error de truncamiento de primer orden. 232 “ANALISIS DE LA INFLUENCIA DEL RÉGIMEN DE NEUTRO EN LA COMPATIBILIDAD ELECTROMAGNÉTICA EN EDIFICIOS HOSPITALARIOS. PROPUESTA DE UNA NUEVA TECNICA CORRECTORA” PARTE V. ANEXOS Aproximación por diferencias finitas centradas: si se suman las expresiones (ec.13) y (ec.17), queda: Que en forma resumida será: Y que para sí muy pequeño queda: La ecuación (ec.23), se conoce como aproximación de la primera derivada mediante diferencias finitas centradas. Puede apreciarse que se trata de una aproximación central, ya que involucra valores de la función tanto a la derecha, como a la izquierda, del punto en el que se desea calcular la derivada. Otra diferencia importante respecto a las dos aproximaciones anteriores es que, debido a la presencia de , en (ec.22), esta aproximación presenta un error de truncamiento de segundo orden. Debido a lo anterior, si queremos aproximar la primera derivada de una función mediante diferencias finitas, esta aproximación proporciona mejores resultados que las dos anteriores. Como se observa en la figura 3, esta aproximación, que geométricamente representa la pendiente de la recta que pasa por los puntos y , tenderá a la solución exacta a medida que disminuya el valor del incremento de la variable independiente , ya que la derivada, , se corresponde gráficamente con la pendiente de la recta tangente a la curva en ese punto. 233 “ANALISIS DE LA INFLUENCIA DEL RÉGIMEN DE NEUTRO EN LA COMPATIBILIDAD ELECTROMAGNÉTICA EN EDIFICIOS HOSPITALARIOS. PROPUESTA DE UNA NUEVA TECNICA CORRECTORA” PARTE V. ANEXOS Figura 3: Interpretación geométrica de las diferencias finitas Las anteriores expresiones de aproximación de las derivadas de una función en un punto se pueden extender a funciones de varias variables, quedando por ejemplo: La expresión (ec.24), aproxima la función función en el punto . en el punto a la Las referencias para desarrollo de este punto sobre el método FTDT han sido la [30], [31] y [32] de las referencias bibliográficas expuestas en el Anexo IV. 234 “ANALISIS DE LA INFLUENCIA DEL RÉGIMEN DE NEUTRO EN LA COMPATIBILIDAD ELECTROMAGNÉTICA EN EDIFICIOS HOSPITALARIOS. PROPUESTA DE UNA NUEVA TECNICA CORRECTORA” PARTE V. ANEXOS ANEXO IV. BIBLIOGRAFÍA 235 “ANALISIS DE LA INFLUENCIA DEL RÉGIMEN DE NEUTRO EN LA COMPATIBILIDAD ELECTROMAGNÉTICA EN EDIFICIOS HOSPITALARIOS. PROPUESTA DE UNA NUEVA TECNICA CORRECTORA” PARTE V. ANEXOS IV. I. REFERENCIAS [1] Cisco Wireless Location Appliance-Products & Services. 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