La importancia de la conexión a tierra en los sistemas eléctricos

Descubre la importancia de la conexión a tierra en los sistemas eléctricos. La teoría de conexión a tierra es fundamental para comprender cómo funcionan los sistemas eléctricos y garantizar su correcto desempeño. En este artículo, exploraremos en detalle la importancia de los electrodos de tierra y cómo influyen en la circulación de electrones dentro y fuera de una batería.

El electrodo de tierra se refiere a las terminales de una batería que proporcionan la ruta para que los electrones circulen hacia y desde la tierra. Es esencial establecer una conexión adecuada a tierra en una instalación eléctrica para facilitar la entrada de los electrones a la tierra.

Sin embargo, la conexión a tierra es un tema que a menudo se malinterpreta. La confusión surge debido a la falta de una definición precisa de los términos, el escaso entendimiento de los conceptos básicos y la falta de conocimientos sobre los sistemas digitales electrónicos modernos. Como resultado, muchas prácticas de conexión a tierra se basan en opiniones infundadas y supersticiones. Las prácticas de conexión a tierra que funcionan bien en frecuencias bajas de alimentación, como 50, 60 y 400 hertzios, pueden ser inadecuadas para controlar las altas frecuencias presentes en los sistemas de datos modernos. Con el avance de las fibras ópticas, las frecuencias de datos varían prácticamente desde corriente continua hasta radiación electromagnética de luz visible.

El objetivo principal de un sistema de conexión a tierra es controlar las corrientes indeseables, como las corrientes de falla, las generadas por las descargas electromagnéticas, las corrientes de ruido de alta frecuencia y las corrientes de fuga.

Un conductor que normalmente proporciona una trayectoria de baja resistencia para frecuencias de corriente alterna se convierte en una impedancia alta a frecuencias más altas, ya que la mayor parte de la corriente se desplaza por la superficie del conductor. Si trabajamos con radiofrecuencias (RF), este conductor se convierte en una antena que transmite y recibe las señales de radio presentes en los equipos digitales, como los sistemas computarizados, que operan en frecuencias de reloj de 10 a 30 megahertzios, es decir, en bandas de radio de onda corta. Estos equipos transfieren datos de un sistema a otro utilizando frecuencias en el rango de megahertzios.

Un sistema de conexión a tierra debe controlar las corrientes para garantizar la seguridad del personal y proteger la integridad del sistema. El artículo 250 del Código establece los requisitos generales para la conexión a tierra de instalaciones eléctricas y sistemas de protección contra incendios, así como las normas relacionadas con la protección de vidas humanas. Estas normas son aplicables a cualquier edificio y enfatizan la necesidad de cumplir con las normas de seguridad, además de señalar la responsabilidad de los ingenieros.

Por otro lado, las corrientes de ruido sin control pueden causar mal funcionamiento de los equipos, una degradación gradual e incluso la destrucción de los componentes electrónicos, así como la pérdida de memoria en los sistemas computarizados.

En resumen, entender la teoría de conexión a tierra es esencial para garantizar un funcionamiento seguro y eficiente de los sistemas eléctricos. Al establecer una conexión adecuada a tierra y controlar las corrientes de manera efectiva, se pueden prevenir problemas y asegurar la integridad de los equipos electrónicos en los sistemas modernos.

Cómo la puesta a tierra previene descargas eléctricas

Falla a tierra del motor. Existe un peligro.

Descubre cómo la puesta a tierra previene descargas eléctricas. En la imagen anterior se muestra una falla o cortocircuito dentro de un motor trifásico, que opera a 208 voltios, de manera que el chasís del motor se puede considerar como vivo o energizado. Cuando ocurre una falla dentro del motor, el armazón metálico de éste se encuentra al mismo potencial a tierra que el conductor de fase.

Ahora existe tanto un peligro como las probabilidades de un accidente en caso de que alguien toque al mismo tiempo el armazón del motor y una superficie que esté conectada a tierra. Existe una diferencia de potencial entre el punto 1 y los puntos 2 y 3, cuyo valor puede variar dependiendo de la efectividad de la unión entre el conductor de fase del armazón del motor.

El valor máximo puede ser de 208 voltios o una porción de éstos. Pero existe de todas maneras una diferencia de potencial entre el armazón del motor y cualquier superficie que esté conectada a tierra.

Peligro de descargas eléctricas

Descarga eléctrica.

En la imagen anterior se muestra un accidente que ocurre cuando alguien toca al mismo tiempo el armazón metálico del motor y una tubería metálica. Esto crea un circuito eléctrico completo a través de la persona, quien ahora recibe una descarga eléctrica. ¿Cuál sería el voltaje que circula a través de la víctima? Todo depende de qué tan efectivo sea el contacto de la persona para completar el circuito y de la impedancia tanto del sistema como de la persona. Éste no es el único peligro existente.

Peligro de recibir una desarga eléctrica.

En esta imagen se ilustra el segundo peligro. Una persona toca el armazón del motor y pisa una superficie conectada a tierra, al mismo potencial que la tubería metálica para agua. De nuevo, se puede observar la trayectoria de la corriente a través del cuerpo. La severidad de la descarga eléctrica de la víctima depende de la forma en que la víctima esté conectada al circuito eléctrico.

Ver también: La severidad de una descarga eléctrica

Cómo la puesta a tierra previene descargas eléctricas

El peligro se elimina instalando un puente de unión.

En esta otra imagen se muestra en forma conceptual la conexión de un puente de unión. Esta instalación es parte de un sistema que está conectado a tierra en forma adecuada y elimina los peligros que existían antes. Sin embargo, en los circuitos normales, el puente de unión no se conecta individualmente al armazón del motor. De acuerdo al Código, en un diseño correcto, este conductor de tierra se extiende en paralelo con los conductores de circuito dentro del mismo conducto.

La instalación de este puente de unión elimina la diferencia de potencial que puede existir entre el armazón del motor y otras superficies conectadas a tierra. Al conectar el puente se crea otra trayectoria para que la corriente fluya y muy posiblemente permitirá que se activen los interruptores de circuito. De esta manera, se eliminan los peligros de descarga eléctrica y se protege el motor de una reparación costosa.

En resumen, el puente de unión elimina la diferencia de potencial. No existirá una presión (voltaje) que empuje la corriente a través del cuerpo y la baja impedancia de la trayectoria ofrecida permite que la corriente circule por el conductor y no a través del cuerpo humano.

Instalación correcta de la tierra de seguridad.

La imagen anterior muestra la instalación correcta, de acuerdo con el Código, de la tierra del equipo o tierra de seguridad aplicando los conceptos presentados anteriormente.

Voltaje o tensión ¿Cuál es el nombre correcto?

Voltaje o tensión ¿Cuál es el nombre correcto? Ambos términos se usan con frecuencia para expresar voltaje, diferencia de potencial, tensión o potencial eléctrico, los cuales en sentido estricto significan lo mismo, pues se refieren a la medición de la fuerza que puede poner en movimiento a los electrones libres en un circuito eléctrico. Cuando se hace referencia al voltaje entre dos puntos particulares de un circuito, es usual utilizar el término diferencia de potencial.

El diccionario de la Real Academia Española (RAE) define al voltaje como la cantidad de voltios que actúan en un aparato o en un sistema eléctrico. De esta forma, el voltaje, que también es conocido como tensión o diferencia de potencial, es la presión que una fuente de suministro de energía eléctrica o fuerza electromotriz ejerce sobre las cargas eléctricas o electrones en un circuito eléctrico cerrado. Así se establece el flujo de una corriente eléctrica.

Diferencia de potencial entre dos puntos

En la imagen se muestra la diferencia de potencial entre los puntos 2 y 3. En este ejemplo la diferencia de potencial entre ambos puntos es de 40 voltios. Cuando se instala un puente de unión entre los puntos 2 y 3, como se muestra en la misma imágen, la diferencia de potencial es cero. Al instalarse el puente de unión se logran dos objetivos:

Se mantiene el voltaje en ambos puntos.

Se le da a la corriente otra trayectoria de baja impedancia o de baja oposición al flujo de corriente.

Ver también: 3 categorías para medir la tensión eléctrica

Los dos puntos se han conectado mediante un puente de unión y ahora se encuentran en el mismo potencial. Los puentes de unión se usan para el sistema de puesta a tierra y el objetivo es mantener un mismo potencial del sistema.

En la imagen de abajo, los puntos 2 y 3 se encuentran situados en la misma tubería de metal y pueden considerarse como si estuvieran unidos entre sí. Por lo tanto, tienen el mismo potencial. El motor no está unido a estos puntos ni tampoco se ha conectado a tierra, sino que está aislado. No existe conexión eléctrica entre el armazón del motor y la tubería metálica.

Diferencia de potencial entre una tubería metálica aterrizada y un motor que no está aterrizado

Voltaje o tensión ¿Cuál es el nombre correcto? ¿Cuál es el que tú utilizas en tu trabajo o en la vida diaria?

La severidad de una descarga eléctrica

Cuando una persona toca con una mano un alambre de un circuito de 120 voltios y tiene un pie sobre la tierra, se genera una trayectoria para la corriente. La magnitud de esta corriente a través del cuerpo está limitada por el voltaje y la resistencia corporal. La severidad de un choque o una descarga eléctrica de este tipo se determina por tres factores:

1. La trayectoria de la corriente que circula a través del cuerpo.
2. El tiempo que toma la corriente en circular.
3. La cantidad de corriente que fluye a través del cuerpo.

Los materiales conductores que no están conectados a tierra representan potenciales descargas eléctricas

El cuerpo humano es comparable con un conductor eléctrico. Éste cuenta con un revestimiento o aislante, cuya función es mantener el voltaje y los electrones dentro del conductor y separar otros voltajes de él. El aislante también brinda protección mecánica al conductor. Asimismo, el cuerpo humano también está cubierto con un material aislante: la epidermis o piel humana. Del mismo modo que el aislante de un cable, la principal función de ésta es cuidar el interior del cuerpo, en este caso mantener el voltaje fuera del cuerpo. La piel también cumple una función de protección mecánica. No obstante, la capacidad de aislamiento de la piel es baja, si se compara con el forro aislante de un cable de 600 voltios.

El aislamiento del cable cubre al conductor de cobre, el cual tiene una baja resistencia y ofrece una oposición muy pequeña al flujo de corriente. En forma análoga también existe un conductor dentro del cuerpo humano. Este conductor está compuesto de agua salada, la cual también es una buena conductora de corriente. Por lo tanto, la resistencia del cuerpo es muy baja y ofrece una trayectoria a la corriente, como lo hace un conductor.

Ver también: Conoce los efectos de la electricidad en el cuerpo humano

La ampacidad de un conductor, o su capacidad para transportar corriente, la determina el material del conductor y su aislante. Por ejemplo, un alambre calibre número 14 AWG tiene una ampacidad para 15 amperes (según la tabla 310-16 del Código)

La ampacidad del cuerpo humano es muy baja ya que sólo puede conducir una fracción de corriente antes de que cause daño. Una corriente de 80 miliamperes (0.080 A) puede ser mortal.

La severidad de una descarga eléctrica

En hospitales y lugares dedicados al cuidado de la salud, existe la preocupación acerca de que tan sólo unos cuantos microamperes (0.000001 A) pueden causar daños a los pacientes.

Al aplicar 1500 ohms como la impedancia promedio de un varón, de 150 libras de peso (68 kg) y varios voltajes a un circuito, y utilizando la forma empírica de Charles Dalziel, quien estudió los efectos de las descargas eléctricas en el cuerpo humano, obtenemos la corriente máxima antes de una condición mortal para una persona:

t = 0.027 ÷ I²

En donde:

             t = tiempo en segundos

             I = corriente en amperes

Usando esta fórmula, obtenemos la descarga eléctrica máxima para varios servicios, antes de que el corazón entre en fibrilación y sobrevenga la muerte.

Por ejemplo, una lámpara incandescente de 100 watts, en un circuito de 120 voltios, usa 833 miliamperios (0.830 A). Sin embargo, sólo se requieren 80 miliamperios para provocar la muerte, o sea, ésta es una cantidad de corriente sustancialmente menor de la necesaria para prender una bombilla incandescente.

¿Qué piensas ahora de la severidad de una descarga eléctrica?

Por qué es muy importante una tierra correcta y efectiva

La referencia a tierra es sólo para medidas de seguridad. El sistema eléctrico de distribución y el equipo que alimenta no requieren la puesta a tierra para operar en forma apropiada. Un avión, por ejemplo, transporta y utiliza una gran cantidad de equipos eléctricos y electrónicos. Estos equipos operan sin ninguna referencia a tierra. Los sistemas de control para las estaciones generadoras de energía eléctrica también flotan ―no tienen referencia a tierra. Entonces ¿por qué es muy importante una tierra correcta y efectiva?

Los detectores de tierra en los sistemas eléctricos de ciertas industrias, tales como la del acero, se usan para avisar al personal que hay un cortocircuito en las fases, que pasó inadvertido, o un cortocircuito entre el conductor neutro y la tierra. Esto es con objeto de eliminar la falla controlada para no interrumpir ciertos procesos que pueden presentar peligros si se interrumpen de forma instantánea.

El Código permite sistemas no conectados a tierra, bajo condiciones muy específicas y rígidas. Sin embargo, casi todos los sistemas eléctricos se conectan a tierra y es obligatorio hacerlo.

Consecuencias de una descarga eléctrica

En instalaciones eléctricas se puede observar algunos avisos como:

PELIGRO, ALTO VOLTAJE

¿Qué le sucede a una persona cuando recibe una descarga eléctrica? ¿Qué es lo que causa el daño, el voltaje o la corriente? Si el voltaje es bajo, en el rango de 120/208 V, la corriente provoca la mayor parte del daño. Si el voltaje es alto, ambos factores provocarán daños a la persona.

La circulación de corriente por un aparato calefactor, el cual es un elemento puramente resistivo, produce calor. Asimismo, si una corriente eléctrica circula por el cuerpo humano, también produce calor y éste es el que causa daños en el cuerpo.

La presión en un circuito eléctrico es el voltaje, el cual origina una corriente y también puede producir una explosión. A menudo cuando una persona se expone a un voltaje alto, ocurre una explosión en el punto donde la corriente sale del cuerpo. Entre más alto sea el voltaje, existen mayores probabilidades de que circulen corrientes debido a la baja resistencia del cuerpo humano.

Los conductores a tierra deben conectar todas las armaduras del equipo, chasis y partes metálicas a un punto común. Esto limita el voltaje que puede estar presente en las partes metálicas de cualquier equipo, a un nivel seguro para la protección del personal. Es otra razón del por qué es muy importante una tierra correcta y efectiva.

Consecuencias de una corriente de falla

Cualquier diferencia de voltaje entre los dos terminales de un conductor de tierra de seguridad (de conexión a tierra), nunca deberá exceder una fracción de volts a frecuencias de potencia de 50 o 60 Hz. La excepción a esta regla ocurre durante una condición de falla a tierra. Y debería existir el tiempo suficiente para permitir que el elemento termomagnético del dispositivo de protección (interruptor automático o fusible), interrumpa el suministro de energía. Tal falla a tierra quizá la cause un error en el aislamiento o en un componente del equipo. O una falla en el conductor que suministra la energía.

Ver también: Qué es la resistencia pura al flujo de corriente

El conductor metálico o el conductor de tierra no están destinados a transportar cualquier porción de carga normal de corriente. Su función es la de transportar corrientes de falla solamente. Sin embargo, las corrientes de fuga y ruido eléctrico pueden estar presentes en condiciones normales de operación, aunque no deben exceder de 0.2 amperes. Las normas de seguridad para corrientes de fuga, de un solo equipo de acuerdo con los laboratorios UL, indican que su valor no puede exceder de 0.5 miliamperios (UL 544).

A frecuencias de alimentación, el nivel de voltaje de 30 volts rms (valor medio cuadrático) es comúnmente el especificado como límite máximo de seguridad para el contacto humano. Una exposición momentánea por encima de este valor durante el tiempo que toma un fusible o un interruptor para aclarar la falla, puede provocar un daño significativo.

Por qué es muy importante una tierra correcta y efectiva

Ante altas frecuencias e impulsos de corta duración el cuerpo humano puede tolerar voltajes y corriente mucho más altos que los de frecuencia de potencia. Por fortuna, estos límites aumentan al incrementarse el contenido de la frecuencia y la caída de voltaje para una corriente de fuga o ruido determinados. Esto se debe a que la impedancia depende de la frecuencia. Y cuanto mayor es la frecuencia, mayor es la impedancia u oposición al flujo de corriente. Y por consiguiente, menor la corriente que circulará por el cuerpo.

Las señales de voltaje de altas frecuencias e impulsos desde 150 hasta 200 volts aparecen regularmente en conductores de tierra asociados con voltajes de circuitos de 120 volts. Sin embargo, su duración usualmente se mide en microsegundos y en general no se detectan al contacto.

El conductor de tierra de seguridad, o conductor de conexión a tierra, debe ser lo suficientemente grande para transportar la corriente apropiada. Y debe permitir el disparo del interruptor de seguridad en caso de falla. Por esta razón, la impedancia de la trayectoria a tierra, entre cualquier receptáculo eléctrico y el X₀ del transformador ―la trayectoria total de ida y vuelta de la impedancia de un conductor a tierra y el conductor neutral― no debe exceder de 2 ohms a 120 volts de corriente alterna.

La lectura de un amperímetro de inserción en cualquier conductor de conexión a tierra debe indicar cero amperes, pero en operaciones normales circularán pequeñas corrientes de fuga o corrientes inducidas. Cualquier lectura que exceda los 0.2 amperes debe ser preocupante y es preciso encontrar y eliminar la causa.