Falla en el neutro. Neutro cortado. Neutro flotante

Para una mejor comprensión del siguiente artículo se recomienda leer este otro:
Sistemas eléctricos. Monofásico. Bifásico. Trifásico

Actualizado en Ene-2021, se eliminaron las definiciones de la nom por considerar que no hacen falta porque ya están presentes en Sistemas eléctricos. Monofásico. Bifásico. Trifásico, además de que hacen difícil la lectura.

Generalidades

Las fallas en el neutro se pueden deber a falso contacto, aterrizamiento deficiente del neutro o un corte parcial o completo del neutro. Para entender estos fallos debemos entender que es el conductor neutro, el conductor neutro se puede definir de forma general como el conductor que crea un circuito cerrado y que es común (lo comparten) a todas las fuentes y/o cargas que componen el sistema al cual pertenece el mismo neutro.

Sistema monofásico

Para visualizar más fácil que es el neutro, el caso más sencillo donde se encuentra el neutro es un sistema monofásico, este sistema monofásico tiene una sola fuente de voltaje que puede ser un transformador monofásico o la fase y neutro de otros sistemas polifásicos.

Abajo se encuentra un sistema monofásico que esta conectado a tierra, tanto en la fuente como en la carga, generalmente todos los sistemas se aterrizan en algún punto de la fuente, aunque la carga puede o no puede estar aterrizada.

Como usted ya sabe, la corriente alterna no tiene polaridad y los símbolos de + y - que tiene la fuente del sistema monofásico solo sirven de referencia, en este sistema, se podría decir que la linea con el signo + es la fase y la linea con el signo - es el neutro, ¿y como sabemos esto? porque la linea con el signo - esta aterrizada y en sistemas monofásicos la linea aterrizada siempre es el neutro, de hecho la NOM-001-SEDE-2012 habla de conductores puestos a tierra en la mayoría de los casos, antes que referirse al conductor neutro en sí.

De hecho, si aterrizaramos la linea con el signo +, en lugar de la linea con el signo -, este seria el nuevo neutro del sistema monofásico. En sistemas polifásicos en estrella o en general en sistemas con conductor común a todas las fuentes del sistema, el conductor común es el que se aterriza, si es que se desea aterrizar. Y como ese conductor cumple con la definición que les di de neutro, de que debe de ser común a todas las fuentes del sistema y cerrar un circuito, este pasa a ser el neutro en esos sistemas.

Sin embargo, en otro tipos de sistemas polífásicos que por su configuración no es posible que haya un conductor común a todas las fuentes del sistema, se puede conectar a tierra cualquier otro conductor, por ejemplo, una fase o una derivación de un devanado y este pasaría a ser el conductor puesto a tierra.

En un sistemás monofásico como solo hay una fuente, el neutro solo debe ser común a esa fuente y además cumple con cerrar el circuito a la carga que se conecte a dicha fuente, muchas veces se dice que el neutro es por donde retorna la corriente, aunque esto no sea del todo cierto y/o preciso para todos los sistemas.

Sistema bifásico

El siguiente sistema se le conoce como sistema bifásico porque tiene dos fuentes de voltaje, es decir, dos fases. Aunque esto no es realmente así, ya que este sistema no cumple con las características de un verdadero sistema bifásico. Más bien es un sistema monofásico con dos lineas "vivas".

El diagrama de abajo representa este sistema con dos fuentes de voltaje, en la realidad, es una sola fuente de voltaje con derivación central, es decir, un transformador monofásico con derivación central.

Este es un transformador con un solo devanado secundario que tiene una derivación en su centro. Si representamos este devanado con derivación central a un circuito eléctrico, sería como el diagrama de arriba con dos fuentes y un conductor aterrizado común a las dos fuentes, en este caso, sería el conductor neutro. Por lo tanto, como es un solo devanado con derivación en su centro, cada mitad del devanado seria una fuente idéntica a la otra, las dos en serie. Si medimos el voltaje de fase a neutro de la primer fuente y el voltaje de fase a neutro de la segunda fuente nos darían dos voltajes idénticos pero de signo contrario. Y si medimos el voltaje de fase a fase tendríamos el doble de voltaje que de fase a neutro, en esta ocasión estaríamos midiendo las fuentes en serie o el voltaje del devanado completo del transformador, como se quiera ver. Por ello los transformadores monofásicos en su secundario tienen un voltaje 240/120 V (voltaje de ejemplo).

Por lo tanto, si las cargas 1 y 2 son iguales, el sistema esta balanceado y no circula corriente por el neutro, de lo contrario, va a circular corriente por el neutro.

Sistema trifásico

El sistema trifásico esta formado por tres fuentes de voltaje iguales desplazadas 120°. En los sistemas trifásicos con neutro, las fuentes de voltaje se encuentran en estrella, cada una con voltaje de 127 V y si medimos entre cualquier fase y otra fase cualquiera, nos dará un voltaje de 220 V, es decir, el voltaje de cada fuente o lo que es lo mismo, el voltaje de fase a neutro multiplicado por .

Estos sistemas generalmente salen de un transformador trifásico que tiene 3 devanados en su secundario. De nueva cuenta la definición que dí cumple con el neutro de un sistema trifásico en estrella, este sería el conductor común a las 3 fuentes y además crea un circuito cerrado con la carga en estrella en su punto neutro.

En sistemas trifásicos, si las cargas están balanceadas, por el neutro no circulará corriente.

Como ya pudo notar, de un sistema trifásico se pueden obtener sistemas monofásicos y bifásicos, y de un sistema aparentemente bifásico como el de la sección anterior se puede obtener un sistema monofásico, por ello en la sección de sistemas monofásicos el voltaje de la fuente no esta definido si es de 120 V o de 127 V, para ambos casos, se comporta de la misma forma. Sin embargo, sistemas bifásicos obtenidos de un transformador monofásico y sistemas bifásicos de un transformador trifásico no se comportan igual. Para cargas balanceadas en un sistema de dos fases y neutro de un sistema trifásico, la corriente en el neutro será la suma vectorial de las corrientes de cada fase, resultando en una corriente con ángulo de 120°/2 respecto a cualquiera de las dos fases participantes. En un sistema aparentemente bifásico de un transformador monofásico con cargas balanceadas, la corriente en el neutro será de 0.

Fallas en el neutro

Aún con todo esto no he analizado las diferentes fallas en el neutro. Para esto, primero debemos diferenciar los sistemas en donde la carga no este aterrizada de los cuales la carga si este aterrizada. En la practica, una carga podría ser una simple carga individual o un conjunto de cargas con otros elementos eléctricos, como es una instalación eléctrica completa, por ejemplo, una industria, comercio o vivienda.

Para lo siguiente, se considerará que todos los sistemas eléctricos están aterrizados en la fuente, como se muestra en todos los diagramas anteriores.

Consideraciones generales

• Para todo lo siguiente, se considera que los casos de falla se presentan de forma individual y no combinada con otros casos de falla, esto para no volver más complejos los casos a estudiar y dar más claridad a los efectos de las fallas, aunque seguramente al terminar de leer el artículo podrá determinar que efectos tienen las fallas combinadas.
• Para todos los casos de falla en el neutro por corte total en el neutro, se considera que el neutro no forma el circuito cerrado que formaría, por lo tanto, para fines prácticos no existe conductor neutro.
• Para todos los casos de falla por corte parcial en el neutro, se considera una impedancia más alta que la normal y que aumentará en proporción directa de cuanta corriente circule por el neutro, si circula una corriente en el neutro generará calor (Ley de Joule ) que aumentará la resistencia (Aumento de resistencia por cambio de temperatura) del neutro.
• Para todos los casos de falla por falso contacto en el neutro, se considera una impedancia más alta que la normal y que aumentará en proporción directa de cuanta corriente circule por el neutro, si circula una corriente en el neutro generará calor (Ley de Joule ) que aumentará la resistencia (Aumento de resistencia por cambio de temperatura) del neutro. Es un caso similar a la falla por corte parcial en el neutro pero que en la práctica es peor a este, ya que el propio falso contacto queda más expuesto a movimientos mecánicos de cualquier origen (movimientos puramente mecánicos, dilatación por calor o magnetostricción) que pueden afectar más a falso contacto, por ejemplo, aflojando más la unión que incremente más la impedancia.
• Para todos los casos anteriores, en un sistema eléctrico, tanto fuente como carga, que no este bien aterrizados o que completamente no estén aterrizados y que deberían de estarlo, se considera como neutro flotante.
• Para todos los casos anteriores, aunque no sea así, en la práctica, a todos ellos se les llama neutro flotante.

Efectos de fallas en el neutro

Carga no aterrizada

• Resistencia infinita en el neutro: Para los casos de neutro cortado totalmente en sistemas monofásicos, la carga no tendrá alimentación y por lo tanto no funcionará. Para sistemas polifásicos no balanceados, subirá en voltaje para las cargas de una fase y bajará el voltaje para las cargas de otra fase, según la distribución y desbalance de cargas.
• Alta resistencia en el neutro: Para los casos de falla que ocasione una alta resistencia en el neutro, como lo son neutro cortado parcialmente y falso contacto en el neutro. Se considerará que el neutro es una carga eléctrica apreciable que forma parte del sistema y que aumentará según circule la corriente en el neutro. Por lo tanto, habrá una caída de tensión apreciable en el neutro según la corriente que circule en él. Lo cual ocasionará un cambio en el circuito que se desea tener.
• Alta resistencia a tierra o ausencia de aterrizamiento en la fuente: Para los casos donde la carga no esta aterrizada, esta condición de alta resistencia a tierra o ausencia de aterrizamiento no afecta al sistema ya que la puesta a tierra en el neutro de la fuente no forma una nueva trayectoria, solo se referencia a tierra el neutro de las fuentes.

Carga aterrizada

Para los siguientes casos, la conexión a tierra de la carga y la conexión a tierra de la fuente formará una nueva trayectoria en los circuitos originales, que no suplirá en ningún caso la función del neutro, ni será tan buena trayectoria de cierre del circuito como el neutro. Esta nueva trayectoria tendrá una resistencia que dependerá de la resistencia a tierra del sistema de puesta a tierra, tanto de la fuente como de la carga.

• Resistencia infinita en el neutro: Para los casos de neutro cortado totalmente su efecto será como en el caso de alta resistencia en el neutro debido a la trayectoria que forman los sistemas de puesta a tierra cerrando el circuito y de esta forma transportando la corriente de la carga, aunque de forma no optima (de resistencia considerable).
• Alta resistencia en el neutro: Para los casos de falla que ocasione una alta resistencia en el neutro, como lo son neutro cortado parcialmente y falso contacto en el neutro. Se considerará que el neutro es una carga eléctrica apreciable que forma parte del sistema y que aumentará según circule la corriente en el neutro. Por lo tanto, habrá una caída de tensión apreciable en el neutro según la corriente que circule en él. Lo cual ocasionará un cambio en el circuito que se desea tener. Para este caso también se considera la nueva trayectoria que forman los sistemas de puesta a tierra y que como ya se dijo en el caso de "Resistencia infinita en el neutro'' esta será una trayectoria no optima (de resistencia considerable) y junto con la "Alta resistencia en el neutro'' transportando la corriente en el neutro, modificando ambas, el circuito original deseado.
• Alta resistencia a tierra en la fuente y/o en la carga: Como ya podrá imaginar los efectos de este caso es similar a "Alta resistencia en el neutro'', sin embargo, con efectos menores, ya que se considera que el neutro todavía esta en funcionamiento normal.

Determinar fallas en el neutro

Para determinar y encontrar fallas en el neutro utilizaremos el siguiente diagrama de una instalación domestica básica de 127 V (las terminales de fase y neutro del medidor están puenteadas entre ellas respectivamente, fase y fase; neutro y neutro), los elementos que contiene el diagrama son:

• F: Punto de fase.
• N: Punto de neutro.
• C: Punto de corte. Los puntos de corte solo serán puntos de referencia y solo serán cortes en el cable cuando se haga mención a ellos, por lo tanto, se considera que ningún "C'' es un corte en el cable por defecto, sino hasta que se diga de forma explicita.

Consideración generales en las mediciones

Cuando se mide con un voltímetro digital estos son de alta impedancia, es decir, el voltímetro al medir cierra el circuito y por él pasa una corriente prácticamente despreciable, por lo tanto, como el voltímetro casi siempre será el elemento con mayor impedancia en el circuito que el mismo forma al medir, aunque haya una falle que ocasione alta resistencia en un cable, el voltímetro prácticamente medirá el voltaje que se pretende encontrar, es decir, el voltaje de fase-neutro o fase-fase, sin importar la alta resistencia del cable. La impedancia del voltímetro digital será mayor y por lo tanto es donde habrá mayor diferencia de potencial.

Dicho lo anterior, en ciertas condiciones de medición, el voltímetro marcara un cierto voltaje, cercano al voltaje de fase-neutro, por ejemplo, cuando tomamos con la mano una punta del voltímetro y con la otra punta tocamos fase, o cuando en cajas de registro sin necesidad de que estén aterrizadas o superficies metálicas colocamos una punta del voltímetro y la otra punta la colocamos en la fase.

Hay voltímetros de baja impedancia que eliminan en cierta medida estos fenómenos.

Si creemos que hay una falla que ocasione alta resistencia o queremos descartar esta falla con un voltímetro digital de alta impedancia, podemos agregar una carga de prueba considerable (de preferencia, resistiva) a los puntos de medición, esto para lograr que circule una corriente considerable por el punto de falla de alta resistencia y que ocasione una caída de potencial (más todos los otros problemas que ocasiona esta falla, que ya se trataron en "Efectos de fallas en el neutro'' y con ello determinar si hay una falla y entre que puntos esta la falla de alta resistencia. Además eliminamos el efecto de alta impedancia del voltímetro, que eliminará las mediciones de voltajes pequeños cuando deberían de ser 0 V y eliminará mediciones de voltajes intermedios entre 0 V y 127 V, cuando deberían de ser 0 V. Esto debido a que el voltímetro estará en paralelo con la carga de prueba que será de baja impedancia en comparación con la alta impedancia del multimetro, dando una impedancia resultante de todavía baja impedancia.

Cualquier cable que no este realmente conectado a nada (fase, neutro o tierra) y sea cercano al cable de fase podrá ser inducido eléctricamente y magnéticamente, se induce eléctricamente cuando están en contacto los cables y magnéticamente cuando por el conductor de fase circula corriente, ambos fenómenos se incrementan con la cercanía y con la longitud de los cables. Estos fenómenos se pueden detectar con un detector de voltaje sin contacto o con un voltímetro.

• Medición de voltaje en F1-N1: 127 V.
• Medición de voltaje en F1-N2: 127 V.
• Cable cortado en C1 y medición de voltaje en F1-N2: 127 V, como el neutro en el transformador esta aterrizado y el neutro en la base del medidor esta aterrizado, además de que el neutro generalmente es desnudo en acometidas aéreas, prácticamente el neutro siempre estará en contacto con una superficie metálica que estará probablemente anclada a tierra. Por lo tanto, el neutro siempre tendrá un punto de referencia a tierra en la acometida, aunque se corte el cable de neutro de la empresa suministradora.
• Medición de voltaje en F2-N3: 127 V.
• Cable cortado en C2, medición de voltaje enF2-N3, cable cortado en C3 y/o C5 o no cortado en C3 y/o C5: 127 V, caso parecido a ``Cable cortado en C1 y medición de voltaje F1-N2'' solo que en este punto solo se tendrá el punto de referencia a tierra en el neutro aterrizado y no en las superficies metálicas que pueda tocar el conductor neutro de la acometida, ya que en este punto, el cable neutro desnudo después del corte en el cable C2 hacia la instalación en si, no podrá tocar ninguna superficie metálica.
• Cable cortado en C2, medición de voltaje en F2-N3, cable cortado en C4: 127 V a 0 V, dependiendo si la barra de neutros N4 esta aterrizada (aterrizada no intencional, aterrizada intencional o aterrizada por el simple hecho de estar en contacto directo con la envolvente metálica, es decir, el centro de carga, y este a su vez este simplemente tocando la pared que podría hacer una derivación a tierra). Si N4 esta aterrizado, medición de voltaje en F2-N3 es 127 V o algún voltaje significativo, si N4 no esta aterrizado, medición de voltaje en F2-N3 es 0 V o algún voltaje muy pequeño.
• Medición de voltaje en F3-N4: 127 V.
• Medición de voltaje en F3-N4, cable cortado en C3 y/o C5: Parecido al caso ``Cable cortado en C2, medición de voltaje en F2-N3, cable cortado en C4'', 127 V a 0 V, dependiendo si la barra de neutros N4 esta aterrizada (aterrizada no intencional, aterrizada intencional o aterrizada por el simple hecho de estar en contacto directo con la envolvente metálica, es decir, el centro de carga, y este a su vez este simplemente tocando la pared que podría hacer una derivación a tierra). Si N4 esta aterrizado, medición de voltaje en F3-N4 es 127 V o algún voltaje significativo, si N4 no esta aterrizado, medición de voltaje en F3-N4 es 0 V o algún voltaje muy pequeño.

Interruptor en ON

• Medición de voltaje en F5-N5, cable cortado en C6: 0 V. La lampara en F5-N5 y las demás lamparas cierran el circuito, F5 y N5 vendrían a ser el mismo conductor.
• Medición de voltaje en F6-N6, cable cortado en C7: 0 V. La lampara en F6-N6 y la lampara en F7-N7 cierran el circuito, F6 y N6 vendrían a ser el mismo conductor. La lampara en F5-N5 si prende.
• Medición de voltaje en F7-N7, cable cortado en C8: 0 V. La lampara en F7-N7 cierra el circuito, F7 y N7 vendrían a ser el mismo conductor. Las demás lamparas si prenden.
• Medición de voltaje en N5-N4, cable cortado en C6: 127 V. Las lamparas cierran el circuito, N5 vendría a ser fase.

Interruptor en OFF

• Medición de voltaje en F4-N4: 0 V. Las lamparas cierran el circuito, F4 y N4 vendrían a ser el mismo conductor.
• Medición de voltaje en F4-N4, cable cortado en C6: 0 V. F4 solo vendría a ser un conductor sin ninguna conexión.