El neutro en las redes de distribución y sobretensiones permanentes

Publicado el 29/06/2022
Actualizado el 28/11/2023

Las redes de distribución de energía eléctrica son una parte concreta del Sistema Eléctrico de Potencia. En este artículo hablamos únicamente de las redes de distribución en baja tensión, también denominadas redes de distribución secundaria. Lo normal es que sean circuitos trifásicos y el conductor neutro en las redes de distribución juega un papel importantísimo en el suministro de la energía eléctrica a los usuarios.

El ámbito de aplicación de las redes de distribución en baja tensión para España lo indica el Reglamento Electrotécnico para Baja Tensión (REBT). Aunque la descarga del texto del REBT es gratis desde la web del BOE, es mucho más práctico y ameno tener a mano una edición en papel para trabajar. Realmente es uno de los libros imprescindibles para cualquier profesional o estudiante vinculado a las instalaciones eléctricas.

Cuando nos referimos a las redes de distribución en baja tensión, consideramos los siguientes límites de tensión:

Corriente alterna: tensión eficaz inferior o igual a 1000 V.
Corriente continua: tensión inferior o igual a 1500 V.

Las características del neutro en las redes de distribución es muy importante, porque según como sea el reparto y los valores de los receptores o los usuarios conectados, puede verse afectada la calidad del suministro eléctrico. En los apartados que siguen, vamos a desarrollar un ejemplo general para justificar su importancia.

Puedes leer más cuestiones como esta, en la obra «Problemas resueltos de Tecnología Eléctrica» (ISBN: 8497321944, Ed. Paraninfo) que escribí junto a mis compañeros del Departamento de Ingeniería Eléctrica. Se trata de un libro muy práctico, donde se describen los comportamientos de los circuitos eléctricos explicados a través de problemas resueltos.

Contenidos mostrar

El circuito equivalente de la red

Una manera muy completa de explicar los efectos del neutro de las redes de distribución sobre los receptores, es analizando el comportamiento del circuito equivalente. La figura siguiente representa el secundario del transformador de distribución (tensiones de fase), las impedancias de la red de distribución en baja tensión (Z_L) y un conjunto de receptores trifásicos (Z_R, Z_S, Z_T).

Circuito equivalente de red de distribución de baja tensión.

El análisis que haremos tiene ciertas simplificaciones, para no perder de vista el objetivo que es ilustrar la utilidad o los efectos de las características del conductor neutro en una red de distribución en baja tensión. Podríamos haber desarrollado un ejemplo mucho más completo, considerando que la tensión de alimentación estuviera desequilibrada, que tuviera armónicos, que los conductores de fase de la red de distribución presentaran distintas impedancias, etc. Esas consideraciones las vamos a dejar para otro artículo de esta serie.

En resumen, los efectos del neutro en la red de distribución de baja tensión, los vamos a calcular con las siguientes hipótesis:

Secundario del transformador con sistema de tensiones equilibrado y sin armónicos. Tampoco consideramos la impedancia serie de cada devanado y despreciamos la rama paralelo.
Conductores de la red de distribución con las mismas impedancias en módulo (Z_L) y ángulo.
Conductor de neutro con módulo de impedancia Z_N. En el artículo vamos a ilustrar qué consecuencias tendría que dicho conductor neutro presentara distintas características.

Análisis del circuito general desequilibrado

El caso más general, lo tendríamos si la red de distribución alimenta a un conjunto de usuarios, de tal manera que las impedancias equivalentes por cada fase resultaran diferentes entre sí. Esto daría lugar a una red de distribución con cargas trifásicas desequilibradas.

$\overline{Z}_R\neq \overline{Z}_S\neq \overline{Z}_T$

Según la figura anterior, el punto neutro del secundario del transformador o del generador (N), es eléctricamente diferente al punto neutro al que están conectados los receptores (O), ya que en principio el conductor neutro presenta una impedancia

$\overline{Z}_N$ . Aplicando la Ley de Kirchhoff de tensiones al circuito anterior, podríamos relacionar los valores de tensión entre los puntos neutros de generador y carga de la siguiente manera:

(1) $\begin{eqnarray*} \overline{U}_{RO}=\overline{U}_{RN}-\overline{U}_{ON}\\ \overline{U}_{SO}=\overline{U}_{SN}-\overline{U}_{ON}\\ \overline{U}_{TO}=\overline{U}_{TN}-\overline{U}_{ON} \end{eqnarray*}$

Con esos valores, podemos obtener las expresiones de las intensidades de línea en la red de distribución. Bastaría aplicar la Ley de Ohm a cada fase del sistema entre los puntos R-O, S-O y T-O. El resultado para las intensidades de línea sería el siguiente:

(2) $\begin{eqnarray*} \overline{I}_R=\frac{\overline{U}_{RO}}{\overline{Z}_L+\overline{Z}_R}= \frac{\overline{U}_{RN}-\overline{U}_{ON}}{\overline{Z}_L+\overline{Z}_R}\\ \label{intdesq2} \overline{I}_S=\frac{\overline{U}_{SO}}{\overline{Z}_L+\overline{Z}_S}= \frac{\overline{U}_{SN}-\overline{U}_{ON}}{\overline{Z}_L+\overline{Z}_S}\\ \label{intdesq3} \overline{I}_T=\frac{\overline{U}_{TO}}{\overline{Z}_L+\overline{Z}_T}= \frac{\overline{U}_{TN}-\overline{U}_{ON}}{\overline{Z}_L+\overline{Z}_T} \end{eqnarray*}$

De una manera análoga, aplicando la Ley de Ohm en el conductor neutro, podemos obtener la expresión para la intensidad del neutro de la red de distribución:

(3) $\begin{equation*} \overline{I}_N=\frac{\overline{U}_{ON}}{\overline{Z}_N} \end{equation*}$

Aplicando la Ley de Kirchhoff de Intensidades al nudo

$O$ resulta:

(4) $\begin{equation*} \overline{I}_R+\overline{I}_S+\overline{I}_T=\overline{I}_N \end{equation*}$

Si sustituimos los valores de intensidad en la expresión anterior, por las fórmulas obtenidas antes para cada una de ellas, y despejamos la tensión entre el neutro del generador y el neutro de la carga:

(5) $\begin{equation*} \overline{U}_{ON}=\cfrac{\cfrac{\overline{U}_{RN}}{\overline{Z}_R+\overline{Z}_L}+ \cfrac{\overline{U}_{SN}}{\overline{Z}_S+\overline{Z}_L}+\cfrac{\overline{U}_{TN}} {\overline{Z}_T+\overline{Z}_L}}{\cfrac{1}{\overline{Z}_R+\overline{Z}_L}+ \cfrac{1}{\overline{Z}_S+\overline{Z}_L}+\cfrac{1} {\overline{Z}_T+\overline{Z}_L} +\cfrac{1}{\overline{Z}_N}} \end{equation*}$

Ya tenemos una expresión general que nos permite calcular la tensión que existiría entre los neutros de generador y carga. Es decir, tenemos la expresión general que nos permite calcular la tensión entre los extremos del conductor neutro de la red de distribución. Vamos a analizar en los siguientes apartados qué conclusiones podemos sacar de esta expresión.

Procedimiento para calcular las tensiones e intensidades en los receptores

Si el sistema fuera equilibrado, sería muy sencillo y directo calcular las tensiones de fase que tendrían los receptores. De hecho, es muy fácil comprobar que si el sistema fuera equilibrado, la expresión anterior resultaría,

$\overline{U}_{ON}=0$

Ese resultado implica que, entonces,

$\overline{I}_N =0$ y también que,

$\begin{eqnarray*} \overline{U}_{RO}=\overline{U}_{RN}\\ \overline{U}_{SO}=\overline{U}_{SN}\\ \overline{U}_{TO}=\overline{U}_{TN} \end{eqnarray*}$

Es decir, que las tensiones de fase en los receptores coincidirían con sus correspondientes tensiones de fase del generador. Conociendo esas tensiones, se pueden calcular las intensidades de fase de cada receptor aplicando la Ley de Ohm.

El problema sería que el sistema no fuera equilibrado. Entonces resultaría mucho más complicado calcular a qué tensión exacta estaría alimentándose cada fase en el extremo de usuarios de la red de distribución.

Para poder trabajar en este caso, tendríamos que comenzar a partir del valor de tensión que habria entre los extremos del neutro de la red de distribución, cuya fórmula dedujimos en la expresión 5. Una vez calculada esa tensión $\overline{U}_{ON}$ , podemos recurrir a las fórmulas iniciales donde relacionábamos todas las tensiones entre neutros 1. De las fórmulas 1, obtendríamos las tensiones de fase de los receptores, $\overline{U}_{RO},\overline{U}_{SO},\overline{U}_{TO}$ así como las intensidades de línea.

Consecuencias del neutro en las redes de distribución

A continuación, vamos a ver qué ocurriría en la red de distribución y en la alimentación de los receptores, en función de cómo sea el conductor neutro de la red.

Conductor neutro ideal

Empecemos con el caso más simple de analizar, y también el caso ideal al que debería de parecerse la realidad para que todo funcionara de maravilla. Obviamente se trata de un caso extremo, aunque en la práctica es la situación que se persigue al elegir una adecuada sección para el conductor neutro.

Este caso ideal sería si el conductor neutro de la red de distribución tuviera impedancia nula, es decir,

$\overline{Z}_N=0$

A esta situación también se le conoce con el nombre de «neutro rígidamente unido entre carga y generador». En este caso resultaría que,

$\overline{U}_{ON}=\overline{I}_N\cdot \overline{Z}_N = 0$

aunque las cargas estuvieran desequilibradas. Esta situación especial simplemente ocurre porque

$\overline{Z}_N=0$ . Esta situación es muy interesante, porque se podría utilizar el circuito monofásico equivalente para resolver el circuito y calcular las intensidades de fase en los receptores. A diferencia de la situación de un sistema con cargas equilibradas, habría que resolver tres circuitos monofásicos (uno para cada fase) para obtener la solución del circuito trifásico. Otra importante conclusión, es que si el conductor neutro presenta una impedancia lo más pequeña posible (y por tanto es lo más parecido posible al caso ideal descrito), tendríamos que aunque los receptores en la red estuvieran desequilibrados, se mantendrían las tensiones de fase para cada carga idénticas a las tensiones de cada fase del generador.

Conductor neutro con una impedancia concreta

Aunque el neutro de la red de distribución no sea ideal, y presente una impedancia $\overline{Z}_N\neq 0$ , al menos proporciona un camino cerrado para que pueda circular la intensidad $\overline{I}_N$ . Como ya hemos indicado antes, la expresión 5 nos permitiría calcular el valor que tendría la tensión entre los extremos del conductor neutro y, a partir de ahí, verificar qué tensión de fase estaría aplicada a cada receptor. Si las cargas de cada fase son distintas entre sí, que es lo normal en cualquier red de distribución, en esta situación no tendremos exactamente las mismas tensiones en cada fase de los receptores. Pero el hecho de disponer del conductor neutro, nos asegura que al menos se mantendrán lo más parecida posible a las tensiones de fase del generador. Lo deseable es que la tensión $\overline{U}_{ON}$ sea lo más pequeña posible, y por ese motivo es interesante que la impedancia del neutro se mantenga lo más pequeña posible también, ya que,

$\overline{U}_{ON} = \overline{I}_{N} \cdot \overline{Z}_{N}$

Esta es una de las razones principales por las que, si la sección del neutro no es lo suficientemente grande (sobretodo cuando se dan grandes longitudes), los desequilibros de tensión en los receptores en las redes de distribución son mayores. Esta situación lógicamente repercute en una calidad de suministro deficiente y en posibles deterioros de algunos receptores.

Conductor neutro desconectado

La otra situación extrema sería que se rompiera el conductor neutro. Todos sabemos que el REBT y las Normas particulares de las Compañías Distribuidoras de energía eléctrica establecen clarísimamente que el neutro no debe interrumpirse bajo ningún concepto, de manera independiente a las fases. Es decir, que no debe permitirse que se pueda desconectar el neutro en una red de distribución, mientras exista la posibilidad de que las fases sigan suministrando energía a los receptores.

Sin embargo, por alguna rotura accidental, o por alguna circunstancia fortuita, puede ocurrir que el conductor neutro de la red de distribución se rompa. Vamos a ver qué consecuencias tendría esto.

En el momento en que se rompe el conductor neutro, su impedancia pasa a ser $\overline{Z}_N\rightarrow\infty$ . En ese caso, ya no puede circular intensidad alguna por ese conductor, obviamente porque ya quedó interrumpido. Entonces, al tener $\overline{I}_N=0$ y considerando la ecuación 4, tendríamos que si el neutro de la carga (O) está desconectado del neutro del generador (N), resulta:

$\begin{equation*} \overline{I}_R+\overline{I}_S+\overline{I}_T=0 \end{equation*}$

Ahora la cuestión es que en la ecuación 3, la tensión

$\overline{U}_{ON}\neq 0$ porque tenemos una indeterminación al ser

$\overline{I}_N=0$ y

$\overline{Z}_N=0$ . Esta situación hace más difícil calcular la tensión que existiría en los extremos de cada impedancia en los receptores. Y, además, puede darse el caso de que aparezcan sobretensiones permanentes de un valor peligroso como veremos a continuación.

Sobretensiones permanentes por rotura de neutro

En la última situación descrita antes, hemos detallado el efecto de romper o desconectar accidentalmente el conductor neutro de la red de distribución. En resumen, la tensión entre el neutro del generador (N) y el neutro de las cargas (O) es desconocida y, a priori, $\overline{U}_{ON}\neq 0$ . Vamos a ver con un ejemplo sencillito, las consecuencias de esto último sobre las tensiones de fase en los receptores. Supongamos que tenemos una red de distribución en baja tensión 400/230 V, de secuencia directa, donde se ha cortado el neutro. Para simplificar, vamos a considerar que la impedancia de línea es nula. Los receptores al final de la red son los siguientes:

Fase R’: prácticamente todos los elementos de esta fase se encuentran desconectados. Suponemos, por ejemplo una resistencia de 175W.
Fase S’: suponemos una maquinaria inductiva que consume 4750 W, con ángulo de 37º.
Fase T’: suponemos una carga resistiva de 450 W.

Con los valores anteriores, podemos obtener los valores de impedancias para los receptores y sustituirlas en la expresión 5. Como el neutro está desconectado, el término

$\frac{1}{\overline{Z}_N} = 0$

Resolviendo la expresión indicada, resultan las siguientes tensiones para las impedancias de fase en los receptores:

$\overline{U}_{RO} = 119,76 V \angle{1,33\deg}$
$\overline{U}_{SO} = 22,33 V \angle{-2,26\deg}$
$\overline{U}_{TO} = 250,25 V \angle{1,63\deg}$

Juzguen ustedes mismos.

Por si quieren experimentar un poco, cambiando valores fácilmente, les dejo un sencillito código en Python para que puedan probar, por ejemplo usando Google Colab.

import cmath,math

UR=cmath.rect(230,0)
US=cmath.rect(230,-120)
UT=cmath.rect(230,120)

ZL = cmath.rect(0,0)
ZR = cmath.rect(230*230/175,0)
ZS = cmath.rect((230*230/4750)*math.cos(math.radians(37)),37)
ZT = cmath.rect(230*230/450,0)
ZN = cmath.rect(0,0)

# Sin neutro 
UON = (UR/(ZR+ZL) + US/(ZS+ZL) + UT/(ZT+ZL)) / (1/(ZR+ZL) + 1/(ZS+ZL) + 1/(ZT+ZL))
# Con neutro 
# UON = (UR/(ZR+ZL) + US/(ZS+ZL) + UT/(ZT+ZL)) / (1/(ZR+ZL) + 1/(ZS+ZL) + 1/(ZT+ZL) + 1/ZN)

URO = UR - UON
USO = US - UON
UTO = UT - UON

print(cmath.polar(URO),cmath.polar(USO),cmath.polar(UTO))

Reflexiones finales

En este artículo hemos desarrollado un ejemplo para ilustrar la importancia del conductor neutro en las redes de distribución de baja tensión. Las conclusiones obtenidas se han centrado en el hecho de que la existencia del neutro, permite tener cierto control sobre las tensiones de fase que recibirán los receptores. Cuanto mayor sea la impedancia tenga el neutro, y más desequilibrio haya en los receptores de la red de distribución, mayor impacto negativo aparecerá en el equilibrio de las tensiones de alimentación en bornes de las cargas.

Por el contrario, cuanto menor sea la impedancia del neutro en las redes de distribución, es decir, cuanto mayor sea su sección, más equilibradas resultarán las tensiones disponibles en bornes de los receptores, aunque se muestren desequilibrados.

Se ha analizado también el caso extremo de rotura del neutro. Se ha puesto de manifiesto que pueden aparecer sobretensiones peligrosas, o valores demasiado bajos de tensión que pueden terminar dañando ciertos equipos o máquinas eléctricas igualmente. Las máquinas eléctricas desarrollan un par en el eje que es proporcional a la tensión suministrada al cuadrado. Al reducir drásticamente su tensión de alimentación (sin modificar la frecuencia), se reduce drásticamente el flujo magnético y, por tanto, el par que desarrolla. Esto puede llegar a ocasionar bloqueos indeseados en el eje.

Hay otra cuestión derivada de lo que planteamos en este artículo. Se trata de los armónicos. Cuando hay presencia de ciertos armónicos en la corriente eléctrica, el conductor neutro puede verse sobrecargado. Trataremos este asunto en otro artículo.

Compártelo:

Narciso Moreno-Alfonso

Profesor Titular en el Departamento de Ingeniería Eléctrica de la Universidad de Sevilla. Mi formación universitaria es de Ingeniero Técnico Industrial en Electricidad, Ingeniero en Electrónica y Diploma de Estudios Avanzados en Electrónica de Potencia (Energías Renovables). Mis áreas de trabajo e investigación son: instalaciones eléctricas, energías renovables, Big Data.

Comentarios

Esta entrada tiene 0 comentarios

Deja una respuesta Cancelar la respuesta

next post: Mercado eléctrico español y tarifas eléctricas