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El valor rms o eficaz de una onda senoidal se obtiene fácilmente. Se toma la raíz cuadrada del cuadrado promedio de los valores instantáneos de un ciclo completo.
Cuando circula la corriente directa o la corriente alterna por un resistor, la energía eléctrica se convierte en calor. En el caso de la corriente alterna, la rapidez a la que se convierte la energía y se usa la potencia es menor que en el caso de la corriente directa. Esta corriente varía de forma continua entre valores máximos y cero. Y es menor que la corriente directa estable que tiene un valor igual al valor pico de la corriente alterna.
El método para relacionar la corriente alterna con la corriente directa es comparar el efecto de calentamiento de un resistor cuando circulan ambos tipos y corrientes con un valor máximo o valor pico iguales.
Entonces, el aumento de temperatura producido por la corriente alterna en el resistor se compara con el aumento de temperatura producido por la corriente directa. Y a partir de esta relación se puede calcular el valor efectivo y la potencia usada.
El valor eficaz o rms de la corriente alterna
La fórmula para determinar el efecto Joule de calor o potencia que disipa el resistor es:
P = I2R
La pérdida de potencia I2cd x R, producida por el flujo de 1 A (un ampere) de corriente directa, eleva la temperatura del resistor a 50°C. Mientras que en un circuito de corriente alterna, el calentamiento I2cd x R, causado por una corriente pico de 1 A, sólo asciende a 25°C. De tal manera que:
I2ca R = ½I2cd x R = ½I2max R
(corriente cd = pico ca)
I2ca = ½I2max
Ica = 1/(2xImax)1/2 = 0.707 Imax
O sea, El valor rms o eficaz de una onda senoidal de la corriente alterna sólo es 0.707 veces la pico. La corriente alterna tendrá que aumentar a Ica x 21/2 = (1.414 A) para generar el efecto de calentamiento de 1 ampere de corriente directa. De la misma forma, el voltaje pico es de 1.414 veces el valor eficaz o rms.
Valor rms o valor efectivo
Todos los circuitos eléctricos y electrónicos se construyen de elementos de circuito que incluyen resistores (R), inductores (L) y capacitores (C). A éstos se les llama elementos positivos porque su comportamiento es independiente de la dirección de flujo de la corriente.
La corriente alterna es senoidal y cambia de polaridad a intervalos específicos. Cuando la corriente o voltaje de corriente alterna pasa a través de un conjunto completo de valores positivos o negativos se dice que ha completado un ciclo. La corriente aumenta hasta un valor máximo y disminuye a cero en una dirección, después ocurre lo mismo en la dirección opuesta. Esto constituye un ciclo.
De la misma forma, el voltaje de corriente alterna aumenta hasta llegar a un valor máximo y decae a cero en una polaridad y luego en la otra. Es decir, un ciclo es un conjunto completo de valores positivos y negativos.
Frecuencia de corriente alterna
La forma de onda de la mayoría de la corriente alterna es una curva senoidal suave, con cambios graduales de voltaje y corriente. Cuando una corriente o voltaje de corriente alterna pasa a través de valores positivos y negativos, como se indicó anteriormente, se dice que se ha completado un ciclo.
En una bobina de alambre que gira en un campo magnético, cada vez que la bobina pasa de un polo al otro, el flujo de corriente generado invierte su dirección. En una revolución completa o 360° se completa el ciclo. La corriente alcanza su valor máximo en 90°, se reduce a cero en 180°, alcanza su valor máximo negativo en 270° y de nuevo a cero en una revolución completa a 360°.
Si la bobina gira a una velocidad de 60 revoluciones por segundo, el voltaje generado completará 60 ciclos en un segundo. Puede decirse entonces que el voltaje generado tiene una frecuencia de 60 Hz. La frecuencia estándar en toda América del Norte es de 60 Hz. Es importante tener presente que debido a este ciclo, cada vez que la corriente cambia de dirección disminuye a cero y en forma momentánea se apaga la carga que alimenta, en nuestro caso una lámpara.
Esto es, una lámpara que opera a 60 Hz se enciende y se apaga 120 veces por segundo, o sea una vez cada medio ciclo. El ojo humano no puede reaccionar lo suficientemente rápido para detectar este cambio y recibe la impresión de que la lámpara está encendida en forma permanente.
¿Cómo se produce la corriente alterna? Para poder construir, reparar, o darle mantenimiento a las instalaciones eléctricas, ya sea de una casa o de una industria, es necesario conocer y comprender todos los principios de la energía eléctrica. En particular de la corriente alterna. Vamos a conocer algunos de ellos.
Hoy vamos a responder a dos preguntas. La primera: ¿Cómo se genera, se transporta, y se distribuye la energía eléctrica. Y la segunda: ¿Cuáles son los parámetros de la corriente alterna que deben dominar un electricista?
¿Cómo se produce la corriente alterna?
La electricidad que llega hasta nuestros hogares se produce en plantas generadoras, que pueden ser:
Hidroeléctricas
Termoeléctricas
Eólicas
Fotovoltaicas
o Nucleares
El generador es el dispositivo que sirve para producir la energía eléctrica. Este debe rotar, debe girar. Esta rotación se hace aprovechando, por ejemplo:
La energía del calor de una termoeléctrica
la fuerza del agua de una hidroeléctrica
la fuerza del viento en una central eólica
la energía solar en una fotovoltaica
o bien, la energía en una planta nuclear
¿Cómo se transporta la corriente alterna?
La energía viaja desde las plantas generadoras a través de cables, principalmente de aluminio, que son capaces de soportar altos voltajes. Este cableado se conoce como "Líneas de Transmisión".
Su función es transportar la energía eléctrica a grandes distancias, gracias a voltajes que pueden ser superiores a los 30000 voltios.
Esta energía llega a las subestaciones en las ciudades para poder ser distribuida.
¿Cómo se distribuye la corriente alterna?
Se conoce como "Líneas de Distribución", a ese cableado que sirve para transportar la energía desde las subestaciones hasta la puerta de nuestras casas. Para ello, las compañías suministradoras de energía eléctrica se valen de los transformadores que se encuentran ubicados en los postes cercanos a nuestros hogares.
En estos transformadores el voltaje disminuye antes de su entrega. Los transformadores pueden ser monofásicos y trifásicos. ¿Cómo podemos identificar cada uno de ellos?
Pues resulta que los transformadores monofásicos entregan una tensión de 120 voltios entre línea y neutro, o bien 240 voltios entre líneas viva. Más/menos un 10% de tolerancia en cada caso.
En cambio, los transformadores trifásicos entregan unos 127 voltios entre línea y neutro, y 220 voltios entre líneas vivas. Igualmente con una tolerancia de más/menos 10%.
Partes de la preparación para recibir el servicio de energía eléctrica.
Las compañías suministradoras (por ejemplo, la Comisión Federal de Electricidad en México) colocan a la entrada de las viviendas unos medidores, para registrar el consumo de energía.
Y después, el circuito de alimentación se conecta a un gabinete que contiene un interruptor automático. Este interruptor recibe el nombre de "Interruptor Principal", ya que en este punto se puede interrumpir la energía eléctrica de toda la vivienda, de ser necesario.
¿Cuáles son los parámetros de la corriente alterna que deben dominar un electricista?
Para entender los parámetros de la corriente alterna, regresemos al generador que la produce.
El generador de corriente alterna
El generador no es otra cosa que dos imanes, y un alambre que corta las líneas de fuerza del campo electromagnético.
El estator es una estructura fija, que sostiene por un lado del polo sur de un imán, y por el otro lado el polo norte.
El rotor es una estructura que gira, y va cortando las líneas de fuerza del campo magnético creadas por el imán, mientras avanza. El giro completo es de 360 grados. Es decir, es una vuelta completa.
La electricidad está hecha de partículas subatómicas llamadas "electrones libres". En la corriente alterna, estos electrones libres se empiezan a mover primero en un sentido, y después en el sentido contrario. Esto ocurre gracias a la fuerza de las líneas del campo magnético, que se forma entre los dos polos del imán.
En los primeros 90 grados, el corte de las líneas magnéticas se convierte en energía eléctrica, que aumenta hasta un máximo. Es decir, los electrones libres comienzan a moverse desde el reposo, y la fuerza del campo magnético los va haciendo acelerar poco a poco, hasta alcanzar un valor máximo.
En los siguientes 90 grados, la energía disminuye hasta llegar a cero, porque los alambres se van alejando de las líneas del campo magnético. Hasta este momento el rotor ha dado media vuelta. Es decir 180 grados.
En los siguientes 90 grados se repite la acción. Pero los electrones libres se mueven en sentido contrario, por lo que la gráfica aumenta en valores negativos. Esto significa que los electrones libres comienzan a moverse, pero el sentido contrario. Y van acelerando hasta alcanzar un valor máximo.
En los últimos 90 grados, el valor disminuye hasta llegar nuevamente a cero. Esto ocurre porque los electrones libres se van alejando de las líneas de fuerza del campo magnético.
La frecuencia de la corriente alterna
En México, y en otros países, el giro del rotor ocurre 60 veces cada segundo. Esto se conoce como "Frecuencia".
La energía eléctrica que llega hasta nuestros hogares tiene una frecuencia, entonces, de 60 ciclos por segundo. Esto también se conoce como 60 hertz.
El voltaje
La fuerza del campo electromagnético que mueve a los electrones libres, se conoce como "Voltaje". La unidad de voltaje es el Volt, y se representa con la letra "V".
Como mencionamos anteriormente, los transformadores monofásicos de la Comisión Federal de Electricidad entregan un voltaje en medio de 120 voltios entre línea viva y el cable neutro.
¿Por qué decimos que es un valor medio? Bueno. Resulta que este no es un valor exacto. Más bien es un rango, que puede ir entre un 10% menos (es decir, 12 voltios menos), y 10% más (es decir, unos 12 voltios de más). El valor mínimo sería entonces de 108 voltios, y el valor máximo de 132 voltios. Cualquier valor de tensión entre 108 y 132 voltios se considera correcto. Pero voltajes menores a 108 voltios se consideran "Caídas de Tensión", y voltajes superiores de 132 se consideran "Sobrevoltajes".
Ahora, cuando medimos la tención entre dos líneas vivas, encontramos un voltaje medio de 240 voltios.
Es común tener en nuestros hogares variaciones de voltaje, que pueden dañar o disminuir el tiempo de vida útil de los aparatos. Por ello debemos contar con "Supresores de Sobrevoltajes Transitorios", y se pueden complementar con el uso de "Reguladores de voltaje".
Existen otros parámetros de la energía eléctrica que debemos tener presentes. Para conocer sobre ellos, te invito a que leas la próxima entrada.
Por lo pronto ¿te ha quedado un poco más claro cómo se produce la corriente alterna que llega hasta nuestros hogares?
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Por qué un cortocircuito no siempre activa al interruptor termomagnético. Al analizar una corriente siempre se considera el flujo y la trayectoria que tomará. La trayectoria es el circuito. La corriente es el flujo de electrones libres. En este artículo se repasarán el flujo de corriente y algunas leyes básicas de electricidad y los circuitos que se aplican en forma práctica a los sistemas de tierra. Es importante considerar la trayectoria o trayectorias de los electrones libres hacia la tierra y los electrones libres que circulan por los conductores de formas controladas, realizando el trabajo adecuado.
Ley de Ohm
La ley de Ohm muestra la relación entre corriente, voltaje y resistencia de un circuito eléctrico. Esta fórmula se aplica en la mayor parte de los circuitos y determina la relación entre el voltaje, la corriente y la resistencia o impedancia en caso de un sistema de corriente alterna. Es muy importante tener presente que entre mayor sea la impedancia menor será el flujo de corriente, o que entre menor sea la impedancia mayor será el flujo de corriente, lo cual es imperativo para que esta corriente active el disparo instantáneo de los interruptores termomagnéticos de seguridad y los dispositivos de protección del circuito.
La letra E designa la diferencia de potencial o voltaje y se mide en volts. Para denominar el flujo de corriente, que se mide en amperes, se utiliza la letra I. La letra R representa la resistencia del circuito y se mide en ohms.
De acuerdo a la ecuación de la ley de Ohm, cuando el voltaje es constante, la resistencia limita el flujo de corriente. El voltaje en un circuito eléctrico se considera constante. Técnicamente, puede existir una diferencia de potencial, pero en nuestro caso la consideramos constante. Un voltaje de 120 volts será igual en todo el circuito. Pero la corriente en un circuito eléctrico varía de acuerdo con la carga o la oposición al flujo de corriente. Ésta la generan las cargas que se conectan al circuito y la resistencia de los conductores.
Cuando se diseña los circuitos eléctricos se debe considerar la ampacidad de la carga en amperes, lo que determina el calibre de los conductores. La ampacidad del circuito derivado la determina la capacidad del interruptor termomagnético de circuito. Éste alimenta y protege al circuito derivado.
Circuito en serie
A menudo el flujo de electrones (medido en amperes) en el sistema de tierra es similar al de un circuito en serie. Una de las leyes importantes aplicable a estos circuitos es que el flujo de corriente que circula en todas sus partes es constante debido a que sólo existe una trayectoria en él. Cuando se considera un sistema de tierra es primordial tener presenta la ley, pues la única trayectoria para el flujo de corriente es importante. No así la magnitud de la corriente de falla o el voltaje presente.
Un circuito en serie también tiene innumerables puntos de oposición. Primero, la carga se encuentra en serie con los conductores del circuito. Cada conexión, ya sea entre la carga y la fuente de alimentación, puede ser una posible fuente de oposición, especialmente si la conexión está floja o mal realizada. Los conductores ofrecen cierta resistencia, la cual incrementará la oposición al flujo de corriente. A su vez, ésta aumenta si por los conductores circula una corriente que ocupa toda su capacidad. Es decir, que estén sobrecargados. Así como cuando aumenta la temperatura del ambiente en el cual éstos se encuentran instalados.
La Ley de Ohm y el flujo de corriente en los sistemas de tierra
En un sistema de conexión a tierra existen por lo general muchos equipos y componentes conectados en serie. Si consideramos un circuito en serie podríamos tener dos resistores de 5 ohms, una conexión en el interruptor del tablero principal, otra en la barra de neutros (común) y algunas conexiones en los conductores del circuito. Si aplicamos la ley de Ohm la resistencia en serie total de los resistores de 5 ohms será una resistencia total de 10 ohms, y de acuerdo con la ley de Ohm circularán 12 amperes en este circuito.
Hasta ahora el sistema se encuentra en orden y todo funciona como es debido.
Nos enfrentamos a una falla si una de las uniones no se realizó correctamente y se produce un cortocircuito. En este caso, si suponemos que sólo uno de los dos resistores de 5 ohms está en corto y, por consiguiente, disminuye la oposición al flujo de corriente, nuestra corriente sería:
Es decir, existe una falla de baja resistencia.
Mediante la ley de Ohm encontramos que en este ejemplo circulan 24 amperes en el circuito, los cuales pueden considerarse como corriente de falla. Por consiguiente, el interruptor de circuito de 15 amperes se activará y superará la falla de alimentación en forma inmediata.
Por qué un cortocircuito no siempre activa al interruptor termomagnético
Ahora consideremos el mismo circuito y la otra falla adicional suponiendo que existen conexiones flojas entre dos puntos. Esto añadiría resistencias adicionales. En este caso habría dos conexiones de alta resistencia: una conexión floja en la barra común de 2 ohms y otra resistencia de 4 ohms en el punto de falla. La oposición total es ahora de 11 ohms en lugar de los 5 ohms del circuito anterior.
Esta vez el interruptor de circuito de 12 amperes no se activará y no aislará la falla de la alimentación. Ésta continuará existiendo por un tiempo, hasta que se produzca un accidente grave. En el punto de falla se generará calor y por consiguiente aumentará la resistencia en ese punto. Al crecer la oposición al flujo de corriente, disminuirá la cantidad de corriente que fluye en el circuito. Esta situación continuará hasta que se haya producido suficiente daño y probablemente cause el deterioro y destrucción del aislamiento del cable o se produzca un incendio.
Esa es la razón de por qué un cortocircuito no siempre activa al interruptor termomagnético del circuito. ¿Habías considerado esta situación? Platícame en los comentarios.
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Conoce la seguridad que da una conexión efectiva a tierra. Primero, la imagen anterior ilustra los puntos que es preciso considerar para obtener una puesta efectiva a tierra. La trayectoria a tierra requiere la instalación de 3 elementos: Estos son:
Los circuitos.
El equipo.
Las cubiertas conductoras de equipos.
La trayectoria debe ser:
Conectada a tierra intencionalmente.
Permanente.
Continua.
Segura. El calibre de los conductores debe ser adecuado para que conduzcan sin riesgos cualquier corriente de falla.
Una trayectoria de baja impedancia.
La impedancia debe mantenerse a un valor bajo por 3 razones:
Limitar el voltaje a tierra.
Facilitar la operación de los dispositivos de protección.
Drenar a tierra las corrientes indeseables que generan ruidos, lo mismo que corrientes estáticas y de fuga.
Por qué es importante mantener una tierra efectiva
Es importante mantener una tierra efectiva para la seguridad de las 3 diferentes instalaciones: circuitos, equipos y cubiertas metálicas.
La trayectoria a tierra se integra en el circuito eléctrico cuando ésta se instala. Por lo tanto, todas las conexiones deben ser permanentes y continuas. Y es de gran importancia que el conductor tenga el calibre adecuado para soportar la corriente de falla.
El Código Eléctrico Nacional define al conductor de tierra como el conductor que se usa para conectar el equipo al electrodo de tierra. Este conductor debe ser de baja impedancia. La impedancia es la oposición al flujo de corriente y siempre hay que tratar de mantener bajo este valor. Más adelante se tratará cómo obtener una baja impedancia.
Cuando se instala un circuito eléctrico debe mantenerse la continuidad del conductor. Es preciso utilizar el calibre apropiado para dar a éste la capacidad necesaria para soportar la carga que está suministrando. También es necesario mantener una impedancia baja o una baja oposición al flujo de corriente. Por lo tanto, la definición de puesta efectiva a tierra nos indica que la tierra es otro circuito eléctrico. También nos menciona que debe instalarse con las mismas consideraciones y cuidados que se aplican a cualquier otro circuito de distribución eléctrica o circuito derivado.
Conoce la seguridad que da una conexión efectiva a tierra
Identificación de términos usados en la entrada de servicio (acometida)
La imagen anterior resume todos los términos usados en la entrada de servicio o acometida. El código habla de 3 conductores de tierra y los identifica por su ubicación y función en el sistema de tierra. Estos conductores son:
El puente principal de unión.
El conductor del electrodo de tierra.
La tierra se seguridad o conductor de tierra del equipo.
El conductor de tierra no está destinado para transportar corriente de carga, bajo condiciones normales. Sólo bajo condiciones de falla. En la imagen anterior se muestra un tubo conduit metálico usado como conductor de tierra del equipo. En el caso de usar un tubo conduit de plástico (PVC), el conductor de tierra del equipo es generalmente un alambre o cable.
Debido a que las conexiones mecánicas del tubo conduit metálico pueden aflojarse y provocar un aumento en la impedancia, siempre se recomienda utilizar alambres o cable de cobre para la tierra de seguridad.
Mucha gente no conoce la seguridad que da una conexión efectiva a tierra. ¿Cuentas en tu hogar con una conexión efectiva a tierra?
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Cómo conectar el neutro a tierra en el tablero principal. Primero, el artículo
250 del Código Eléctrico Nacional (y de la NOM-001-SEDE vigente) describe las
prácticas correctas de conexión a tierra para sistemas y circuitos eléctricos.
La sección 250-20(b) establece las condiciones de conexión a tierra para los
sistemas de alimentación de corriente alterna de 50 a 1000 voltios. El Código se
refiere al neutro como conductor conectado a tierra. También a las formas de
aterrizarlo.
El Código exige que la conexión del conductor neutro a tierra sea sólo en el
tablero principal de distribución. O en el secundario de un sistema derivado
separadamente. La sección 250-20(d) aborda los sistemas derivados separadamente.
En ellos la alimentación se puede derivar de transformadores, generadores, o los
devanados de un circuito convertidor de corriente directa. El Código requiere
que los circuitos (y sistemas de alimentación) de corriente alterna de la
central eléctrica, se conecten a tierra en la acometida del edificio.
La sección 250-20(b) del Código designa los niveles de voltaje y las
condiciones de fase requeridos para esta conexión a tierra, la cual
requiere que en la acometida se realice la unión entre el conductor
conectado a tierra (neutral) y el electrodo de tierra. La unión la proporciona
este último. El sistema de puesta a tierra (conexión a tierra) lo componen
tanto el conductor del electrodo de tierra, como el electrodo de tierra.
Importancia del conductor conectado a tierra intencionalmente
El conductor conectado a tierra del sistema de tierra, es normalmente la barra
común de tierra o conductor neutro. Pero puede se también un conductor de
fase, como se usa en algunos sistemas de conexión a tierra en configuración
"delta". En el caso de los sistemas monofásicos de tres hilos (240 voltios) y
en los trifásicos de cuatro hilos en configuración de estrella (220 voltios),
el conductor conectado a tierra siempre es el neutro.
El propósito fundamental de conectar el neutro a tierra en el tablero
principal es limitar los voltajes que son producidos por rayos. También por
transitorios
provocados por la conmutación de cargas. O el contacto accidental con líneas
eléctricas. Un objetivo secundario es estabilizar el voltaje con respecto a
tierra bajo condiciones normales de operación.
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En la entrada de hoy hablaremos de 5 consideraciones realmente importantes al aterrizar las instalaciones eléctricas residenciales. Al diseñar y analizar cualquier sistema (eléctrico o electrónico) de conexión a tierra, las consideraciones de mayor importancia son:
Los códigos eléctricos exigen cumplir ciertas prácticas importantes de conexiones o puestas a tierra. El cumplimiento de estas prácticas ayuda a garantizar una mayor seguridad y eficiencia, al manipular o conectar aparatos a las instalaciones eléctricas.
Cualquier circuito que alimente una corriente a un conductor debe proveer una trayectoria de retorno al punto de origen.
Las corrientes siempre siguen las trayectorias de mínima impedancia.
Las corrientes producidas en sistemas digitales modernos fluctúan entre el espectro de frecuencias de corriente continua y las radiaciones electromagnéticas de luz visible.
El propósito fundamental de la conexión a tierra en la acometida es limitar los voltajes que son producidos por rayos, sobrevoltajes transitorios (picos de voltaje) que se originen en las fuentes de energía, o el contacto accidental con líneas de alta tensión. Un objetivo secundario es estabilizar el voltaje con respecto a tierra, cuando los aparatos se encuentran funcionando de forma normal.
Se hace énfasis de nuevo en que el principal objetivo del código es la protección contra los riesgos de incendios. Y para acentuar la seguridad del personal contra una electrocución. Por ejemplo, si no existe una tierra efectiva, el Código exige la utilización de interruptores de circuito por falla a tierra (GFCI).
Sin embargo, los ingenieros de diseño o mantenimiento no sólo tienen la función de buscar la seguridad de las personas. También deben procurar el buen funcionamiento de los equipos bajo su responsabilidad.
¿Qué opinas de estas 5 consideraciones realmente importantes al aterrizar las instalaciones eléctricas residenciales? Escribe tus comentarios.
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Hoy hablaremos de 5 sistemas de tierra normados por el NEC (+1 inventado por
fabricantes). La materia de puesta a tierra se presta a una gran confusión.
Esto se debe a la enorme cantidad de artículos técnicos, especificaciones y
manuales existentes. Los cuales no están siempre de acuerdo entre sí. Y a la
excesiva terminología sin ningún significado técnico determinado. Muchos de
estos términos no están oficialmente definidos en ninguna norma. Se prestan a
significado ambiguo. Y la mayoría se inventaron, a través de los años, por
fabricantes de equipos electrónicos. Para empeorar la situación, muchas de las
especificaciones que se aplican a los equipos electrónicos se han escrito por
ingenieros, que nunca han leído el NEC. Por esta razón es importante definir
los sistemas de tierra con términos técnicos. Esto para poder hablar el mismo
lenguaje. Así como determinar el verdadero significado del Código.
A continuación te presentamos los 5 sistemas de tierra normados por el NEC (+1
inventado por fabricantes):
1. Tierra física o sistema de electrodo de tierra
Tierra física
La tierra física, también llamada sistema de electrodo de tierra, es la
conexión física de un sistema a un electrodo bajo tierra. Ésta es sólo una
parte del sistema pues el resto, es decir, la tierra del circuito y la tierra
de seguridad (o del tierra del equipo), están arriba de la tierra física. Sin
embargo, es imperativo considerar el sistema completo de tierra en una
instalación eléctrica, con sus tres componentes principales:
tierra física,
tierra del circuito,
y tierra del equipo.
El sistema electrodo de tierra (o tierra física) puede consistir en una
varilla, tubería u otro electrodo aprobado por el Código. Y debe tener un
contacto directo con la tierra. En resumen, es un sistema bajo tierra pero
relacionado con las partes existentes por encima de la tierra: la tierra del
circuito, y la tierra de seguridad o del equipo.
Tierra del circuito (conductor conectado a tierra o "neutro")
La tierra del circuito es el conductor conectado a tierra (o "conductor
neutro"). El cual tiene la función, en caso de un corto circuito o falla a
tierra, de transportar la corriente de falla cedida por el conductor de tierra
del equipo. En el punto neutro-tierra del tablero principal de distribución,
el neutro proporciona la trayectoria de baja impedancia, para la corriente de
falla. De esta formase cierra el circuito. Lo cual facilita el disparo de los
interruptores de circuito.
Tierra de seguridad ( o tierra del equipo)
El sistema de tierra de seguridad, o tierra del equipo, interconecta las
partes metálicas de los equipos, que usualmente no acarrean corriente. Esto
para mantenerlos con voltaje cero. En España se la llama "masa" para
diferenciarlo de la tierra física. Este sistema previene peligro para las
personas, pues en caso de un contacto entre un conductor de fase y la carcasa
metálica del equipo, lo mantiene a la misma referencia a tierra. Al no existir
un voltaje, no se generan corrientes peligrosas que podrían ser mortales para
una persona.
2. Tierra de protección contra rayos
Tierra de protección contra rayos
La función específica de este sistema es drenar la energía del rayo a tierra,
en forma controlada. Esto lo hace por medio de la varilla pararrayos, un
conductor bajante y un electrodo de tierra separado. En el Código no se trata
a fondo este sistema de protección. Pero sí exige que el sistema electrodo de
tierra del sistema de protección contra rayos esté conectado con el electrodo
de tierra del edificio.
¿Por qué se exige que la tierra de protección contra rayos se conecte con el
electrodo de tierra del edificio?
A primera vista, parece ilógico que el código exija la interconexión de los
dos sistemas. Por un lado, queremos drenar la corriente del rayo a tierra ¡y
el Código nos exige que lo conectemos a nuestro sistema del edificio, donde se
conecta nuestro valioso equipo electrónico! Es decir, estamos trayendo parte
de la energía del rayo a nuestra instalación eléctrica. Sin embargo, la razón
de esta regla es lógica. No olvidemos que la razón primordial del Código es la
seguridad del personal y que el buen funcionamiento del equipo es secundario
para el Código.
La energía del rayo puede consistir en altas intensidades de corriente y altos
voltajes. La corriente generada por un rayo puede alcanzar niveles de 200 mil
amperes y mayores. Si nuestro sistema de tierra de protección tiene una
resistencia de 10 ohms, el voltaje sería de 2 millones de volts. A estos
niveles, si los dos sistemas de tierra (el del edificio y el de protección
contra rayos) no estuvieran interconectados, existiría una diferencia de
potencial entre éstos. Y se produciría el salto del arco o chispa. Esto podría
causar graves daños y aun la muerte de las personas.
También podría ocurrir que si una persona tocara en el momento del rayo un
objeto metálico y el conductor bajante del sistema, estaría expuesta a 2
millones volts por unos cuantos microsegundos. En resumen, esta interconexión
de sistemas es por razones de seguridad.
3. Tierra del equipo (o tierra de seguridad)
Tierra del equipo o tierra de seguridad
Este sistema conecta todas las partes metálicas de los equipos. Es decir:
los gabinetes metálicos,
los conductores metálicos,
las cubiertas metálicas de los electrodomésticos.
Y todo equipo que puede ser energizado y entrar en contacto con personas. Esto
para mantener una misma referencia a tierra.
Este método no utiliza el sistema bajo tierra o electrodo de tierra. El Código
exige que estas conexiones sean efectivas. Es decir, que de acuerdo con le
Código tenga continuidad. Que pueda transportar la corriente de falla con
seguridad. O sea, que tenga la capacidad adecuada para transportarla corriente
de falla). Y que ofrezca una baja impedancia. Todo esto para que facilite la
operación de los dispositivos de protección contra sobrecargas.
El conductor de tierra del equipo debe ser tratado de acuerdo con el Código.
Esto para cumplir con el requisito de impedancia. Por ello lo trataremos
detalladamente en próximos artículos.
4. Conductor conectado a tierra
Conductor conectado a tierra (conductor neutro)
El conductor conectado a tierra se conoce generalmente como "conductor
neutro". De acuerdo con el Código, es la referencia a tierra del sistema. Esto
debido a que, en un sistema conectado a tierra, se conecta a tierra en el
transformador de la empresa suministradora de energía. Y este conductor
conectado a tierra se trae a nuestro equipo de servicio a la entrada del
edificio. Porque el Código así lo pide. En este punto se establece la unión
neutro-tierra, en la barra de tierra. Y se conecta el conductor del electrodo
de tierra al conductor neutro. Es decir, el neutro es un conductor conectado a
tierra. Y en cualquier sistema, cuando se habla de voltajes, se trata del
voltaje de un conductor con referencia al conductor neutro, el cual está
conectado a tierra. Conectar el neutro a tierra garantiza que siempre tenga voltaje cero.
5. Tierra aislada
Tierra aislada
Al principio de los 70, grandes e importantes empresas en Estados Unidos
experimentaban problemas de
ruido eléctrico
e interferencias de alta frecuencia. Esto afectaba los conductores metálicos
que protegían los cables de señales. O a los que servían de conductores de
tierra. Por ese motivo se inventó otro conductor de tierra. Un conductor
separado, aislado del conducto. Diferente del conductor de seguridad. Un
conductor con la exclusiva función de proporcionar una tierra aislada de
ruido. Separada de la tierra contaminada o tierra "sucia" del edificio.
Los comités del Código la aceptaron y se le llamó tierra aislada. Se le
hubiera podido llamar "tierra dedicada" u otro nombre más apropiado. Pero el
término "aislada" ha permanecido en la industria. Lo cual ha causado
innumerables problemas, confusión y caos en el sistema de tierra de sistema
eléctrico de distribución.
Este sistema se sigue interpretando como una tierra separada de la tierra del
edificio. En futuros artículos se tratará con profundidad este sistema.
Tierra de referencia de señal
Tierra de referencia de señal
Este es un sistema inventado por fabricantes de equipo electrónico. Su
objeto es proporcionar una tierra sin contaminación, separada de la tierra del
equipo. Pero si no están interconectadas, es una violación del NEC.
En este caso, para cumplir con el Código, el electrodo de tierra de señal debe
interconectarse con el sistema de tierra del edificio. A esta tierra se le han
designado gran cantidad de nombres: tierra de señal, tierra de ruido o tierra
electrónica. Pero, aunque sean buenas las intenciones para proteger el equipo,
su instalación puede producir una violación del Código.
Muy a menudo, cuando los equipos se encuentran ubicados a 30 metros o más del tablero principal, se conectan a la estructura metálica del edificio. Efectuar esta conexión no es una violación del Código. Pero puede existir una diferencia de potencial debido a la longitud misma del conductor de tierra.
Un cable AWG número 12 tiene aproximadamente 0.10 ohms de resistencia. Por lo tanto sólo se requiere 0.10 volt para generar 1 ampere. Cualquier intensidad de corriente en el conductor de tierra afecta los equipos electrónicos, ya que esta tierra es la referencia cero para el equipo electrónico digital.
5 sistemas de tierra normados por el NEC (+1 inventado por fabricantes)
Los primeros 5 sistemas mencionados anteriormente son normas del Código Eléctrico para la seguridad del personal y el equipo. El sexto trata sobre la integridad del sistema y la protección de los componentes de equipo. Si los 2 últimos sistemas se instalan correctamente, aseguran un buen funcionamiento y un largo ciclo de vida para los sistemas digitales.
En resumen, tenemos que los sistemas son:
Tierra física o sistema del electrodo de tierra. Éste cubre el sistema del electrodo de tierra y todas las conexiones hachas para realizar un sistema de puesta a tierra.
Tierra de protección contra rayos. Es un sistema separado que según el Código debe conectarse al sistema de tierra del edificio.
Tierra del equipo o tierra de seguridad. Está destinada a la protección del personal y el equipo contra fallas o cortos circuitos.
Conductor conectado a tierra (o conductor neutro, según la definición del Código Eléctrico). Este sistema tienen la función de transportar la corriente de retorno del conductor de fase para un sistema monofásico y el retorno de las corrientes de fase que no se cancelaron, para un sistema trifásico.
Tierra aislada. Este sistema ofrece una tierra libre de ruido eléctrico para equipos electrónicos sensibles y se usa especialmente en salas de computadoras. También se conoce como tierra dedicada, aunque este término ha causado una gran confusión.
Tierra de referencia de señal. Es el sistema de referencia cero para todos los equipos de señal digital.
¿Te han quedado un poco más claros estos 5 sistemas de tierra normados por el NEC (+1 inventado por fabricantes)? Escribe tus comentarios.
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5 razones para aterrizar las cubiertas de metal de los equipos
Existen 5 razones para aterrizar las cubiertas de metal de los equipos. Son
las mismas razones para aterrizar las cubiertas de metal de algunos cables
eléctricos:
Limitar el voltaje debido a los rayos (descargas atmosféricas).
Limitar el efecto debido a contactos accidentales con líneas de alto
voltaje.
Estabilizar el voltaje durante la operación normal de los equipos.
Facilitar la operación de los interruptores de circuito.
De estas 5 razones para aterrizar las cubiertas de metal de los equipos, las
primeras dos se encuentran en la sección 250-2(b) del NEC (Código Eléctrico
Nacional de los Estados Unidos). Una vez más, su preocupación es limitar el
voltaje y la corriente.
La tercera razón (aunque no se especifica en las notas del Código), es drenar
a tierra corrientes de fuga o corrientes de descargas electrostáticas.
¿Cómo ayuda el aterrizaje a drenar las corrientes electrostáticas y de fuga?
Por ejemplo, algunos cables se fabrican con blindaje. Es decir, con un
recubrimiento de malla o tubo metálico entre las capas de plástico aislante.
Este blindaje se utiliza para atenuar la propagación de los campos
electromagnéticos. Por eso conviene conectar este blindaje a tierra. Eso ayuda
a drenar las cargas electrostáticas. Y evita que acumule en la superficie del
blindaje.
Pero también existen los aparatos que producen "ruido eléctrico". Es decir,
señales de interferencia eléctrica no deseada. Estas señales se
añaden a la señal principal (también denominada “señal útil”). El ruido
eléctrico puede alterar a la señal útil, produciendo efectos que pueden ser
más o menos perjudiciales. Y aun los mismos equipos electrónicos pueden
provocar daños, problemas y errores de datos, en el equipo electrónico
avanzado. Es importante drenar inmediatamente a tierra estas corrientes
estáticas y de fuga. Esto para asegurar la operación óptima del equipo
electrónico.
¿Cómo facilita el aterrizaje la operación de los interruptores de circuito?
Las notas del Código enfatizan la importancia de la unión entre la
tierra del equipo (o "tierra de seguridad") y el
conductor conectado a tierra (conductor "neutro"). Esta unión
se efectúa sólo en el tablero principal de distribución. Puede realizarse en
el puente principal de unión. Éste se ubica en el equipo de servicio. Es el
eslabón clave para que se complete la trayectoria de la corriente de falla. Y
así, se activen los dispositivos de protección (fusibles o interruptores
termomagnéticos).
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Existen 3 Razones para aterrizar los sistemas de alimentación y circuitos eléctricos. La primera nota de la sección 250-2(a) del NEC describe las razones por las que los sistemas de alimentación se deben poner a tierra. La responsabilidad del electrodo de tierra es brindar protección contra:
Descargas atmosféricas (rayos).
Sobrevoltajes transitorios (picos de voltaje repentinos).
Contacto accidental con líneas de mayor voltaje.
Y estabilizar el voltaje a tierra durante la operación normal de los equipos.
El conductor neutro designado por el Código como el "conductor conectado a tierra" de un sistema aterrizado, establece una trayectoria de baja resistencia para las corriente de falla. Así, permite el funcionamiento del interruptor automático principal o de los interruptores del centro de carga, para cancelar la falla.
3 Razones para aterrizar los sistemas de alimentación y circuitos
Las razones por las cuales sistemas y circuitos se ponen a tierra se pueden sintetizar en 3. De acuerdo con la sección 90-1, "Propósito del Código":
Es un malentendido pensar que la puesta a tierra sólo tiene el propósito de mantener todos los equipos y cubiertas metálicas a un plano equipotencial para proteger al personal de un choque eléctrico. No sólo la planificación es importante para el buen funcionamiento de los interruptores automáticos de seguridad que operen de forma inmediata. También mantiene la electricidad tan limpia y libre de ruidos eléctricos como sea posible.
Todo, desde cafeteras y microondas hasta luces fluorescentes y microcontroladores, se pueden convertir en una fuente de interferencia. Y degradar en mayor o menor medida la calidad de los datos.
Por otro lado, las descargas de electricidad estática pueden causar daños graves en los componentes electrónicos.
Seguridad de las personas
Es importante destacar que el Código enfatiza la seguridad del personal. Por ejemplo, en casos en que no existe una tierra efectiva, especialmente en los tomacorrientes antiguos, sin terminal de tierra, o en locales donde puede existir el peligro de una descarga eléctrica, como en los baños o estacionamientos. En estos casos Código exige la utilización de un interruptor de circuito de falla de tierra (GFCI). Mediante éste, una falla se puede limitar a 6 milisegundos. Y tan pronto como la falla se resuelve, el peligro deja de existir.
Protección de la instalación
La falla durará el tiempo que tarden los interruptores termomagnéticos o automáticos y los fusibles en activarse. Por esto es importante calibrar los conductores de tierra y el conductor neutro. El conductor de tierra de seguridad con su baja impedancia y los interruptores automáticos de circuito protegen a las personas y equipos. Pero solamente limitan la duración de la sobrecorriente. Estos dispositivos, los cuales abren el circuito y aíslan la falla de la red de suministro. Pero en muchos casos no eliminan el daño causado. Una falla puede provocar un incendio y aun cuando se elimine la falla, el fuego puede continuar. Sin embargo, cuando los interruptores termomagnéticos se activan, impiden la circulación de más electrones libres que agravarían el daño.
¿Qué opinas de las 3 razones para aterrizar los sistemas de alimentación y circuitos?
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¿Por qué es muy importante el Código Eléctrico? Con el post anterior comenzamos una serie de artículos sobre la puesta a tierra. Al final de esta serie de artículos quedará aclarado el significado del Código y las prácticas correctas de puesta a tierra. Esto para diferentes circuitos y sistemas dentro de un ambiente eléctrico diferente. Los principios no son los mismos para un sistema a tierra que funciona a frecuencia de 60 Hz, que para sistemas expuestos a altas frecuencias. Ya que los métodos correctos de conexión a tierra para diferentes sistemas dependen del ambiente eléctrico al cual están expuestos.
La gran importancia de los próximos artículos se centra en el conocimiento y prácticas recomendadas por el Código Eléctrico Nacional (NEC) de Estados Unidos. También en el reglamento mexicano para instalaciones eléctricas publicado en el Diario Oficial de la Federación. Y la mayoría de los códigos eléctricos de nuestros países. Estos reglamentos son prácticamente una copia del Código estadounidense. En este blog, las normas que se aplican a Estados Unidos, y a nuestros países, se referirán como "el Código" o "el Código Eléctrico". Es importante recalcar que estas normas se han establecidas principalmente por razones de seguridad industrial y también administrativas.
El reglamento eléctrico y los tratados comerciales
Consideremos primero la gran cantidad de equipos, fabricados en Estados Unidos, que se instalan a diario en toda Latinoamérica. Estos requieren prácticas de instalación estadounidenses, de acuerdo con el código de ese país. Otro factor importante para actualizar los conocimientos del Código es el reciente Tratado de Libre Comercio de América del Norte. Este tratado fue firmado por Estados Unidos, México y Canadá. Se puso en marcha en 1994. Y está proyectado para extenderse finalmente a todos los países de Latinoamérica.
En este tratado existen cláusulas acerca de la aceptación multilateral de los equipos registrados por los laboratorios UL. Y de la aceptación de los Códigos eléctricos de los tres países si "estos son razonablemente los mismos". Por ejemplo, como se mencionó antes, el reglamento eléctrico de México, excepto algunos puntos, es virtualmente el mismo código que el de Estados Unidos. Esto aun en su numeración (la sección 250, conexión a tierra, es la misma para el NEC y el reglamento de México).
La importancia del Código Eléctrico para las aseguradoras
Es importante familiarizarse con el sistema a tierra y cableado de acuerdo con el NEC. En el nuevo comercio global, las empresas de seguros limitan sus responsabilidades financieras cuando en una instalación no se puede demostrar la "calidad del sistema". Lo primero que investigan es si sigue al Código Eléctrico Nacional.
La política corporativa de las empresas de seguros es lograr seguridad y rentabilidad. Por tanto tratan de evitar accidentes y de pagar millones de dólares de indemnización en caso de siniestro. También exigen que sus clientes se apeguen al Código Eléctrico. Y en caso de obras civiles nuevas se observen las disposiciones contenidas en la última edición del Código. Se sabe de casos en los que las empresas tuvieron que pagar millones de dólares por accidentes debidos a corriente en el conductor de tierra. La razón fue la falta de una varilla de tierra "adicional" requerida por el Código. En otros casos, hay empresas que no han podido cobrar millones de dólares de sus pólizas de seguros debido a simples violaciones del Código.
¿Te das cuenta ahora de por qué es muy importante el Código Eléctrico?
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¿Por qué existe gran confusión sobre conexión a tierra? El tema de conexión a tierra es difícil. Pero no por los conceptos propios de la materia, sino principalmente por interpretaciones errónea. Esto se debe la gran cantidad de términos usados en libros, artículos técnicos y otras publicaciones sobre el tema. Se habla de:
tierra
masa
tierra física
tierra del circuito
conductor de tierra
tierra de seguridad
conductor de conexión a tierra
tierra de protección
conductor del electrodo de tierra
tierra del equipo
conductor conectado a tierra
tierra aislada
electrodo de tierra
tierra separada, tierra dedicada
varilla de tierra
tierra del sistema
jabalina de tierra
tierra de señal
tierra de referencia de señal...
y otros tantos vocablos. Muchos de ellos que han inventado a través de los años las industrias electrónicas y de computación.
¿Por qué existe gran confusión sobre conexión a tierra?
Esta confusión también la crean manuales, estándares y especificaciones. Algunos escritos por ingenieros especializados en señal y otras veces por ingenieros en potencia. Ellos no siempre están de acuerdo en cuanto a la percepción y solución de estos nuevos problemas.
Las especificaciones y directrices de instalación para la industria electrónica, especialmente las de los fabricantes de equipos electrónicos y computadoras, agravan el problema. Ya que muchas, producto de grandes empresas en Estados Unidos, se han escrito por ingenieros, quienes nunca han leído el Código Eléctrico Nacional (NEC).
Sólo en los últimos 20 años se ha dado gran importancia al sistema de conexión a tierra. Esto debido a la proliferación de equipos electrónicos sensibles, que requieren una tierra libre de ruidos eléctricos. La mayor parte de nuestros países se encuentran expuestos a una alta incidencia de tormentas eléctricas. Por ello que sufren continuamente daños en sus modernos equipos electrónicos debido a sus prácticas erradas de conexión a tierra. En mucha ocasiones los sistemas a tierra están mal instalados o son deficiente. De esa manera, los equipos electrónicos sufren daños irreparables si se presenta una descarga atmosférica. También es cierto que el Código eléctrico es un libro muy difícil de leer y se presta a interpretaciones erróneas.
Mitos de la puesta a tierra
Parte de la gran confusión sobre el sistema de tierra se basa en mitos e información incorrecta que circula en artículos, libros y otras publicaciones. Se ha comparado el sistema a tierra con una red recolectora de aguas negras, donde los conductores de tierra son las cañerías que drenan todas las perturbaciones y ruidos eléctricos a tierra. Esto es cierto solo para las perturbaciones causadas o inducidas por rayos, donde el electrodo de tierra es una de las terminales de la trayectoria de la energía del rayo a tierra.
Otro mito es el de la tierra aislada. Los fabricantes de equipo electrónico usualmente exigen una tierra aislada o separada, y malinterpretando el verdadero significado del Código, sólo proveen una terminal para las dos tierras: la tierra de seguridad y la tierra aislada, y como consecuencia se pierde la utilidad de la tierra aislada. La función de la tierra aislada es la de proporcionar una referencia cero, libre de ruido para los circuitos electrónicos.
También con regularidad los fabricantes de equipos electrónicos exigen que no se conecte el nuevo equipo electrónico, a la supuesta tierra sucia, llena de ruidos, del sistema de alimentación del edificio. Este mito es responsable de las instalaciones peligrosas para el personal y el equipo, además de múltiples violaciones del Código Eléctrico y costos adicionales causados por la instalación de nuevos electrodos y conductores de gran calibre.
El problema de la puesta a tierra y los sistemas electrónicos
Es importante considerar que un equipo que se alimenta por corriente eléctrica emite, con mayor o menor intensidad, perturbaciones de distintas frecuencias que pueden abarcar desde simples molestias de audio en un receptor de radio, e interferencias visual en la pantalla de un televisor, hasta inutilizar el servicio de emergencia de un hospital, provocar la interrupción de una comunicación celular o desviar la trayectoria de un avión militar o comercial.
Para darnos una idea de la gravedad del problema es importante tener presente que todos los sistemas electrónicos sensibles consumen menos del 1% de la energía producida. Mientras, el 99% restante lo emplean las redes de alumbrado y los motores, es decir, los generadores de interferencias. Incluso los mismos equipos electrónicos digitales generan cierta interferencia que afecta a otros equipos digitales.
El espacio está literalmente lleno de radiaciones electromagnéticas, viejas y nuevas. Éstas provienen de un sinnúmero de equipos y tienen ancho de banda. Hace poco se captaron las señales de la explosión que presuntamente creó el universo. A todos los equipos les afecta la transmisión de energía (acoplamiento) de estas perturbaciones. El intercambio de energía se lleva a cabo por diversos medios: generados por equipos con resistencias, bobinas o capacitores. Hablaremos de todos estos tipos de acoplamientos en próximos artículos.
¿Ahora entiendes por qué existe gran confusión sobre conexión a tierra?
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