Armónicos en una instalación eléctrica: por qué el neutro se calienta más que las fases

Hay una avería que desconcierta a cualquiera la primera vez que se ve: en un cuadro trifásico, las tres fases marcan una corriente razonable y el neutro marca más que ellas. Con la teoría de clase en la mano eso no debería pasar. Si las tres fases están equilibradas, el neutro tendría que ir prácticamente a cero, porque las tres corrientes se cancelan entre sí al estar desfasadas 120 grados.

Y sin embargo el cable está caliente, el aislamiento ha empezado a ponerse quebradizo y en el cuadro huele ligeramente a plástico recalentado. La explicación son los armónicos, y es uno de esos fenómenos que aparece citado de pasada en muchos sitios pero que casi nadie se para a explicar. Merece la pena, porque en instalaciones modernas —oficinas, comercios con mucho LED, locales llenos de electrónica— ha dejado de ser una rareza para convertirse en el caso normal.

Qué es un armónico y de dónde sale

La red española distribuye una onda de tensión que oscila 50 veces por segundo. Esa es la frecuencia fundamental: 50 Hz. Un armónico es una corriente que circula por la instalación a un múltiplo entero de esa frecuencia: el segundo armónico va a 100 Hz, el tercero a 150 Hz, el quinto a 250 Hz, y así sucesivamente.

La pregunta obvia es de dónde salen esas frecuencias si la compañía solo inyecta 50 Hz. No las manda nadie desde fuera: las genera la propia instalación, o más exactamente, los aparatos conectados a ella.

Cargas lineales y cargas no lineales

Una carga lineal consume corriente siguiendo fielmente la forma de la onda de tensión. Si la tensión es una senoide limpia, la corriente también lo es. Entran en esta categoría las resistencias —un termo, un radiador, una vitrocerámica clásica— y en buena medida los motores convencionales.

Una carga no lineal hace algo distinto: no consume de forma continua, sino a pulsos. Todo aparato que lleve dentro una fuente de alimentación conmutada funciona así. Rectifica la corriente alterna, carga un condensador y va tirando de él, de modo que solo absorbe corriente de la red durante los instantes en que la tensión está cerca de su valor de pico. El resultado es una corriente troceada, con picos estrechos y altos en lugar de una onda suave.

Esa forma de onda deformada equivale matemáticamente a la suma de la onda de 50 Hz más una colección de ondas a frecuencias múltiplo. Eso son los armónicos: no son un añadido, son la descripción de una corriente que ha dejado de ser senoidal.

El listado de aparatos que se comportan así en una instalación de hoy es largo: ordenadores y sus fuentes, pantallas, todo tipo de cargadores, drivers de iluminación LED, variadores de frecuencia, equipos de aire acondicionado con tecnología inverter, sistemas de alimentación ininterrumpida, cocinas de inducción, y los puntos de recarga de vehículo eléctrico. Es decir, prácticamente todo lo que se ha instalado en los últimos veinte años.

Por qué el tercer armónico se acumula en el neutro

Aquí está la parte que explica el cable caliente, y tiene que ver con una particularidad de los armónicos múltiplos de tres.

En un sistema trifásico equilibrado, las corrientes fundamentales de las tres fases van desfasadas 120 grados entre sí. Al juntarse en el neutro se anulan, y por eso la teoría dice que un sistema equilibrado apenas carga el neutro.

Con el tercer armónico ocurre justo lo contrario. Al tener una frecuencia tres veces mayor, ese desfase de 120 grados sobre la fundamental se convierte en un desfase de 360 grados sobre el armónico, que equivale a ningún desfase en absoluto. Las tres componentes de tercer armónico llegan al neutro en fase, y en lugar de cancelarse se suman aritméticamente. Lo mismo pasa con el noveno, el decimoquinto y el resto de múltiplos de tres, que por eso reciben el nombre de armónicos homopolares.

La consecuencia práctica es contraintuitiva: cuanto mejor equilibradas estén las tres fases, más limpia es la cancelación de la fundamental y más peso relativo tiene en el neutro lo que no se cancela. En el caso extremo teórico, con un contenido de tercer armónico muy alto, la corriente del neutro puede alcanzar hasta 1,73 veces la de cada fase. No es lo habitual, pero neutros conduciendo un 30 o un 50 % más que las fases se miden en instalaciones reales de oficinas y comercios sin nada averiado.

Esto ya lo apuntábamos al hablar de los receptores de alumbrado en la ITC-BT-44 y las corrientes de arranque del LED: cuando un local sustituye toda su iluminación por LED, multiplica el número de fuentes conmutadas conectadas a la vez.

Qué se estropea cuando el neutro va sobrecargado

El problema de fondo es que el neutro normalmente no está protegido. En un interruptor tetrapolar convencional, los tres polos de fase llevan el elemento térmico y el magnético, pero el polo del neutro suele ser únicamente de maniobra: corta cuando dispara el aparato, pero no vigila la corriente que pasa por él. Así que puedes tener un conductor trabajando por encima de su capacidad durante años sin que nada en el cuadro dé señal de alarma.

Lo que se ve después, por orden de aparición:

• Aislamiento envejecido y quebradizo. El calor continuado degrada el PVC. El cable no funde de golpe: se va volviendo frágil, se agrieta al moverlo y acaba dando problemas en cualquier manipulación posterior del cuadro.
• Conexiones que se aflojan. Los ciclos de calentamiento y enfriamiento dilatan y contraen el cobre en los bornes. Un borne flojo aumenta la resistencia, se calienta más y realimenta el proceso, que es exactamente el mecanismo que describimos en por qué se calientan los enchufes.
• Riesgo de rotura de neutro. Si un neutro degradado termina abriéndose en una instalación trifásica, las tensiones se desequilibran y pueden aparecer tensiones muy por encima de 230 V en parte de la instalación. Es el fallo que explicamos en rotura de neutro: por qué se queman varios aparatos a la vez, y es la peor consecuencia posible de todo esto.
• Transformadores y cables con pérdidas extra. Las corrientes de alta frecuencia calientan más para la misma energía útil transportada, por efecto pelicular y por pérdidas magnéticas.
• Disparos intempestivos del diferencial. Los componentes de alta frecuencia y las fugas con componente continua confunden a los diferenciales de tipo AC. En entornos con mucha electrónica el tipo adecuado es otro, como detallamos en diferenciales tipo AC, A, F y B.
• Baterías de condensadores dañadas. Si el local tiene compensación de reactiva, los armónicos pueden entrar en resonancia con los condensadores y destruirlos en poco tiempo. Por eso en instalaciones con mucha electrónica hay que usar equipos con reactancias de rechazo, un matiz que ampliamos en energía reactiva y factor de potencia en un local.

Cómo se mide bien (y por qué un polímetro barato miente)

Este es el punto donde más diagnósticos se tuercen, porque el instrumento equivocado da un número tranquilizador.

Los multímetros y pinzas económicos son de valor medio calibrado en eficaz. Miden el valor medio de la onda y lo multiplican por un factor fijo que solo es correcto si esa onda es una senoide perfecta. Ante una corriente troceada por fuentes conmutadas, ese factor deja de valer y el aparato subestima la lectura, a veces en un 30 o 40 %. Se mide un neutro que parece estar dentro de rango cuando en realidad está pasado.

Para medir aquí hace falta un instrumento true RMS, que calcula el valor eficaz real de la onda sea cual sea su forma. Es la diferencia entre ver el problema y no verlo, y en general conviene tenerlo claro antes de fiarse de cualquier medida, como comentamos en la guía de uso del multímetro en una vivienda.

Con el instrumento correcto, el procedimiento de comprobación rápida es sencillo: se mide con pinza amperimétrica la corriente de cada una de las tres fases y después la del neutro. Si el neutro marca por encima de la fase más cargada, hay contenido armónico alto y la instalación necesita un análisis en condiciones.

Ese análisis se hace con un analizador de redes conectado en el cuadro general durante varios días. No da un número suelto, da la distorsión armónica total —el THD— desglosada por orden de armónico, el factor de cresta y la evolución a lo largo del día. Con esa curva se sabe qué está generando qué y en qué franja horaria, que es lo que permite decidir con criterio en lugar de a ojo.

Qué se puede hacer

No hay una solución única, sino una escala que va de lo barato y preventivo a la intervención seria.

Dimensionar el neutro para lo que va a circular. Es lo más eficaz y solo cuesta dinero si se hace tarde. En una instalación con mucha carga electrónica, el neutro no se reduce respecto a las fases bajo ningún concepto, y a partir de cierto contenido de tercer armónico las guías de cálculo obligan a dimensionar la línea tomando como referencia la corriente del neutro y no la de las fases. Es un criterio que se aplica en el momento de elegir la sección de cable y que resulta carísimo de corregir cuando el tubo ya está empotrado.

Repartir en lugar de concentrar. Agrupar toda la electrónica en un único circuito concentra el problema. Distribuir las cargas no lineales entre circuitos y fases distintos reparte el contenido armónico y evita puntos calientes, criterio que aplicamos al dimensionar la instalación de una oficina.

Comprar mirando el THD del aparato. Los equipos electrónicos están sujetos a límites de emisión de armónicos, pero dentro de la norma hay mucha diferencia entre un driver LED de calidad y uno de gran distribución. Un driver con factor de potencia alto y distorsión baja cuesta algo más por unidad y ahorra el problema entero cuando se instalan doscientos.

Filtrar. Cuando el problema ya existe y las cargas no se pueden cambiar, se recurre a filtros. Los pasivos, a base de reactancias, atacan un orden armónico concreto y son más económicos. Los activos inyectan una corriente en contrafase que cancela la distorsión en tiempo real, se adaptan a cargas variables y son la opción de instalaciones grandes. Cuál toca depende del análisis previo, no del catálogo.

Revisar el cuadro completo. Si la instalación tiene años y ha ido acumulando cargas electrónicas sin que nadie rehiciera los cálculos, lo razonable suele ser abordar el conjunto en lugar de parchear, siguiendo el orden que planteamos en sustituir un cuadro eléctrico antiguo.

Preguntas frecuentes

En resumen

Un neutro que conduce más que las fases no es un error de medida ni un desequilibrio: es la firma de una instalación con mucha carga electrónica y un neutro dimensionado con criterios de hace décadas. Como no hay ninguna protección vigilando ese conductor, el aviso no llega desde el cuadro, llega el día que algo se quema.

Si en tu oficina, local o comunidad el cuadro se calienta, saltan protecciones sin causa aparente o simplemente se ha acumulado equipamiento electrónico sin que nadie rehiciera los números, lo sensato es medir antes de tocar nada. Te ayudamos con la revisión y, si hace falta, con la reforma del cuadro eléctrico dimensionada para lo que realmente circula por la instalación.

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