Cuando el neutro no es cero

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El fin de semana pasado fue la masterclass de Rafa Sardina, y por allí me dejé caer a ver que se cocía.

Mis ratos favoritos de las masterclass son los de la comida, porque interactuas con mucha gente y se organizan debates interesantes entorno al mundo del audio.

El caso es que estábamos hablando de que estoy terminando de introducir el cableado eléctrico en mi estudio, y el problema que me surgía porque algunos tubos corrugados estaban metidos de aquella manera. En un determinado momento salió el tema de los interruptores de protección (magnetotérmicos y diferenciales) y alguien dijo «el diferencial te protege de que el neutro toque tierra, porque salta cuando cortocircuitas neutro y tierra». Justo en ese momento mi cerebro también se cortocircuito.

¿Es necesario saber cómo funciona un diferencial para mezclar un disco? La verdad es que no. ¿Es necesario saber como funciona un diferencial para hacer un estudio? La respuesta es un sí rotundo. Ahora yo te pregunto, ¿vas a hacer tu propio estudio o vas a delegar en alguien que sepa hacerlo? y dependiendo de tu respuesta puede que esta entrada te parezca interesante o no.

Lo primero es decirte que salvo que estés midiendo justo en un punto en el que el neutro está unido a tierra directamente, la tensión en el neutro no es cero. Y es que aunque parezca mentira, en el siglo XXI aun hay gente que creen que neutro significa valor cero de tensión.

¿Que significa neutro entonces? El neutro se refiere a aquellos casos en los que en sistemas trifásicos o monofásicos (simétricos) las cargas que cuelgan de cada fase, son la misma, están balanceadas, y por tanto la corriente que retorna por el neutro es cero, debido a que las corrientes se anulan entre sí. Por esta razón al cable que usamos para retornar las corrientes hasta el centro de transformación se llama neutro, y no porque tenga un potencial cero, como mucha gente cree. En el caso de una distribución monofásica simétrica, está claro que la fase de la que cuelgan las cargas, es la misma, pero el transformador que abastece a la acometida, tiene una toma intermedia desde la que se obtiene el neutro. Pero tranquilo, hasta donde yo se, este tipo de distribución solo se usa en casas de Estados Unidos, en las casas de España y pequeñas instalaciones, a la acometida general del edificio llega una trifásica con un neutro y desde aquí se divide en monofásicas entre los diferentes casas.

En la anterior imagen, en el circuito de la izquierda, las cargas estan balanceadas y por tanto la corriente por neutro es cero. En el circuito del centro y de la derecha, las cargas no estan balanceadas y por tanto en el neutro circula una corriente de retorno.

En la siguiente imagen se muestra la representación fasorial de las tres corrientes que aparecen en el neutro, cuando las cargas están balanceadas. Como se puede observar, la suma de los fasores es nula.

La distribución de red eléctrica para baja tensión en España, se realiza mediante un esquema tipo TT. ¿Qué significa esta nomenclatura? La primera letra hace alusión al centro de transformación y su conexión a tierra. Con la letra T se designa que el neutro del secundario en el centro de transformación está puesto a tierra. La segunda letra hace mención a que las partes conductoras expuestas en la instalación (las casas) están puestas a tierra también.

Tres cosas a tener en cuenta:

  • El poner el neutro a tierra es una medida de seguridad fundamental, ya que entre otras cosas, se evita que el neutro esté flotado y se puedan generar tensiones muy elevadas, entre fases en el caso de que una fase se cortocircuite con el neutro. Un neutro puesto a tierra es la primera medida a adoptar en cuanto a seguridad, y si bien en nuestro país se pone el neutro a tierra en el centro de transformación, en otros países, optan por unir el neutro a tierra en el propio embarrado de la acometida del edificio.
  • El unir a tierra las partes conductoras expuestas en la instalación, también es parte del sistema de protección, y se podría incluso decir que es el segundo paso tras conectar el neutro a tierra, para hacer un sistema de protección en las instalaciones eléctricas.
  • En la distribución tipo TT, la tierra a la que está conectada el neutro en el centro de transformación, y la tierra a la que se conectan las estructuras metálicas en las casas, no están unidos físicamente por un conductor, sino que es la propia tierra la que cierra el circuito, estando unidos por la tierra que pisas todos los días al andar por tu ciudad.

En la siguiente imagen puedes ver un esquema de como se hace la distribución eléctrica que llega a tu casa, local, estudio, etc…

De la mitad a la izquierda sería la instalación del centro de transformación, y de la mitad a la derecha la acometida en nuestras instalaciones. Como puedes ver, en el centro de transformación, el neutro esta unido a tierra, y en nuestras instalaciones, las partes conductoras expuestas están unidas a tierra. Ambas tierras están unidas por la propia tierra que existe entre el centro de transformación y nuestra instalación, cerrando de esta forma el circuito de tierra.

En el punto en el que se une el neutro y la tierra en el centro de transformación, se puede considerar que el potencial del neutro es cero. También, en el caso de que las cargas entre las fases L1,L2 y L3 estén balanceadas, se podrá decir que el neutro tiene un potencial cero. Sin embargo, la más mínima diferencia entre las cargas de los circuitos a los que se conectan, harán que fluya una corriente por el neutro.

Todo cable posee una determinada impedancia, y toda corriente que circula por una impedancia genera una caída de tensión o diferencia de potencial en bornas de la impedancia. Como te decía si las cargas están balanceadas, la corriente por el neutro es cero, y la diferencia de potencial que se genera a lo largo del neutro es también cero, con lo que si el neutro está puesta a tierra en el centro de transformación, el neutro a lo largo de todo el cable tendrá un potencial de cero voltios.

Lamentablemente la vida no es perfecta, y encontrar sistemas con cargas balanceadas va a ser muy dificil, con lo que por el neutro siempre va a circular una corriente y va a propiciar una diferencia de potencial entre los conductores de neutro de nuestras casas y el valor de la tierra.

Ahora que ya lo sabes, es fácil comprobarlo, cógete un multímetro, ponlo en la posición Vac y pon una patilla en neutro y otra en tierra. ¿Te marca cero? Bienvenido al mundo real.

En la siguiente imagen puedes ver una foto que hice a un analizador de red eléctrica que alquile para medir la calidad eléctrica que llegaba hasta mi local. En esta imagen puedes ver que el neutro tiene un valor de 2,6 voltios RMS, sobre la tierra

Ahora te cuento como funciona un diferencial

En un interruptor diferencial, entran dos cables y salen dos cables: fase y neutro. Básicamente lo que hace es comparar las corrientes que circulan por cada uno de los conductores y en el caso de que no sean la misma, el interruptor se dispara.

Para hacer este sistema comparador, los conductores de fase y neutro se arrollan alrededor de una material ferromagnético con forma de toroide, de tal forma que cuando por la fase y el neutro circulan corrientes eléctricas, dentro del toroide se establece un circuito magnético por el que circula el flujo magnético creado por el bobinado de la fase y por el bobinado del neutro.

Además de esto, en el interior del diferencial existe un electroimán (solenoide), o imán accionado por corriente eléctrica. Este electroimán se alimenta de unos hilos bobinados entorno al toroide, y además posee otros hilos arrollados entorno a otro material ferromagnético, estos hilos y el material ferromagnético, constituyen el solenoide en sí mismo. Una de las partes de este circuito es móvil, de tal forma que se puede abrir o cerrar en función de la corriente eléctrica que circula por el solenoide.

Los campos magnéticos generados en el interior del toroide por ambos bobinados (fase y neutro) son de la misma magnitud, pero de sentidos contrarios. Esto es debido a que mientras que por el conductor de fase la corriente circula entrando en el diferencial, por el conductor de neutro la corriente circula saliendo del diferencial. O dicho de otra forma, la corriente que circula por la fase, lo hace entrando hacia nuestras instalaciones (desde el centro de transformación), y la corriente que circula por el neutro lo hace saliendo de nuestras instalaciones (retornando al centro de transformación).

Cuando todo funciona bien, la corriente que entra en nuestra instalación es la misma que sale de nuestra instalación, luego por los bobinados de fase y neutro circula la misma corriente, y en el toroide el campo magnético generado por cada uno de los bobinados es el mismo, pero de sentido contrario, anulándose entre sí. Como el campo magnético se anula entre sí, el bobinado del electroimán que está arrollado alrededor del toroide, no recoge ningún campo magnético y por tanto no se produce una FEM en el bobinado, siendo la corriente que circula por los cables bobinados en el solenoide igual a cero. Como la corriente eléctrica es cero, no se produce campo magnético en el interior del solenoide, y la parte móvil del solenoide se queda abierta.

Cuando se produce una derivación a tierra, la corriente que entra por la fase, no es la misma que sale por el neutro, porque parte de esta corriente se está drenando a tierra. Por lo tanto por los bobinados de fase y neutro del diferencial circulan diferentes corrientes, y aunque los campos magnéticos inducidos en el toroide son de sentido contrario, la magnitud de los mismos ya no es la misma. Existiendo por tanto un campo magnético neto, diferente de cero en el interior del toroide.

Este campo magnético que circula por el toroide, induce una FEM en las bornas del bobinado del solenoide arrolladas en el solenoide. Esta FEM, produce una corriente que al circular por la bobina del solenoide, genera un campo magnético en el interior del mismo, que atrae la parte móvil hacia sí, para de esta forma poder cerrar el circuito magnético. Cuando la leva es atraída sobre el solenoide, esta tira de unos interruptores que son los que abren el circuito fase-neutro.

Para terminar me gustaría contarte una de las frases que se me quedó retumbando en la cabeza, «el diferencial protege del contacto entre neutro y tierra, porque cuando juntas neutro y tierra salta el diferencial». Bueno, esto no es así exactamente, el diferencial lo que hace es proteger las vidas humanas cuando se produce una derivación a alguna parte metálica con la que puedas entrar en contacto. La razón de que salte el diferencial cuando se tocan neutro y tierra, no es más que por el hecho de que el neutro está a un potencial diferente de la tierra, y si observas el circuito de distribución TT, cuando el neutro se toca con tierra, se cierra el circuito neutro-tierra, produciéndose una corriente como fruto de la diferencia de potencial existente entre neutro y tierra. Esta corriente atraviesa el diferencial por el conductor de neutro, y como no hay una corriente por la fase, el diferencial salta. Incluso, si tienes un magnetotérmico que corte la fase en tu instalación, podrás observar como si cortocircuitas neutro y tierra, este saltará, simplemente por la diferencia de corrientes que se establece, cuando por el neutro circula la corriente y por la fase no circula corriente alguna.

Poco más que añadir, solo una cosa, la electricidad no es un juego de niños, y si eres de los que se va a hacer su estudio por si mismo, ten cuidado con lo que haces.