Tierra y la red

La red eléctrica transmite energía a través de cables a nuestras casas, y nuestro Bryan Cockfield lo ha cubierto muy bien en su serie Electrical Grid Demystified, pero ¿qué papel juega la tierra? Se sabe comúnmente que se usa por motivos de seguridad, pero ¿sabías que en algunos casos también se usa para la transmisión de energía?

Aquí se muestra un diagrama bastante típico del sistema de puesta a tierra de una casa, junto con algunos de los conductores portadores de corriente comúnmente llamados vivos y neutros. En el extremo izquierdo está el transformador fuera de la casa y en el extremo derecho hay un electrodoméstico enchufado. Entre ellos hay un panel de interruptores y un enchufe de pared del estilo que se encuentra en América del Norte. La línea discontinua verde muestra el camino normal por el que fluye la corriente.

Observe los electrodos de conexión a tierra para realizar una conexión eléctrica con la tierra. Para utilizar el Código Eléctrico Nacional (NEC) de EE. UU. como ejemplo, el artículo 250.52 enumera ocho tipos de electrodos de conexión a tierra. Un tipo muy bueno es un electrodo revestido de concreto, ya que el concreto continúa absorbiendo humedad del suelo y hace un buen contacto físico debido a su peso. Otra es una varilla o tubería de conexión a tierra de al menos dos metros y medio de largo e insertada lo suficientemente profunda en el suelo. Por suficientemente profundo queremos incluir factores como el hecho de que la línea de escarcha no cuenta como un buen terreno ya que tiene una alta resistencia. Hay que tener cuidado al utilizar tuberías de agua metálicas que aparentemente van al suelo, ya que algunas secciones de estas a menudo se reemplazan con tuberías no metálicas durante el mantenimiento regular.

Observe también en el diagrama que hay lugares donde las distintas cajas metálicas están conectadas al sistema de puesta a tierra. Esto se llama vinculación.

Ahora bien, ¿en qué nos ayuda todo este sistema de puesta a tierra? Comencemos por manejar una falla.

Uno de los propósitos del sistema de conexión a tierra es hacer que se dispare un disyuntor en el panel de disyuntores si hay un cortocircuito en alguna parte. Esto sucede si hay un electrodoméstico con una carcasa metálica y el aislamiento del cable vivo del electrodoméstico está dañado, lo que hace que el cable de cobre del interior toque la carcasa metálica. El caso se convierte en una extensión de ese cable con corriente. A esto se le llama falla.

Pero la caja de metal está conectada a una ruta eléctrica que consiste en el cable a tierra del cable de alimentación enchufado al enchufe de pared, así como el cable del enchufe de pared al panel de interruptores. En el Código Eléctrico Nacional (NEC) de EE. UU., estos se denominan conductores de puesta a tierra de equipos.

Al menos en América del Norte, en la caja donde el servicio ingresa por primera vez a la casa, los conductores de tierra del equipo están conectados al cable neutro. En este caso esa caja es el panel de interruptores principal. En la mayoría de los paneles de interruptores, esta conexión se realiza haciendo que ambos cables vayan a barras metálicas que están atornilladas o unidas a la caja del panel, realizando así la conexión eléctrica a través de la caja.

Siguiendo la línea roja discontinua de la falla, una corriente alta ahora pasa a través del cable vivo, a través de la caja del electrodoméstico y utiliza los cables de conexión a tierra del equipo como ruta de retorno al panel de disyuntores. Desde allí, la corriente pasa a través de la caja del panel hasta la barra neutra y el cable neutro de regreso al transformador. En el camino, el cable con corriente pasa a través de un disyuntor en el panel de disyuntores y la corriente es lo suficientemente alta como para activarlo, abriendo el circuito y haciéndolo seguro nuevamente.

¿Pero dónde entra en juego la tierra? A menudo no es así. A veces, sin embargo, como lo muestra la línea discontinua azul, fluirá un poco de corriente a través de un camino paralelo que incluye los electrodos de conexión a tierra y la tierra.

Hay un propósito para la conexión a tierra con el que muchos aquí en La-Tecnologia están bastante familiarizados, y es la carga parásita y los problemas con la descarga electrostática en dispositivos y componentes sensibles a la electrostática, como MOSFET, CMOS IC y chips TTL. Los métodos para manejar esto son usar una correa antiestática o trabajar sobre una alfombra antiestática. Por lo general, tienen un clip o un enchufe dedicado para conectarse a tierra.

La carga de tu cuerpo te pondrá a un potencial diferente al de la tierra y, por lo tanto, la corriente fluirá entre tú y la tierra. La conexión a tierra es en gran medida eléctricamente neutra y absorberá fácilmente la carga, dejando la combinación de tierra y usted neutral.

No todas las descargas electrostáticas son accidentales. Anteriormente cubrimos experimentos de [Kevin Darrah] donde probó deliberadamente su efecto en varios componentes y también probó circuitos para protegerse contra él.

Las cajas metálicas también pueden energizarse mediante rayos indirectos y cualquier acumulación de carga se drenará a tierra de la misma manera.

Para ahorrar costes, sobre todo en zonas rurales o en viviendas remotas y aisladas, a veces se utiliza un solo cable para la transmisión. Esto elimina el costo de la línea de retorno neutral, siempre que el ahorro de costos compense la disminución de la eficiencia. La disminución de la eficiencia se debe al uso de una tierra de mayor resistencia como ruta de retorno. Esto resulta bastante seguro y hay más de 200.000 kilómetros de líneas de transmisión realizadas de esta manera en Australia y Nueva Zelanda. En Estados Unidos, se utiliza en partes del Medio Oeste y Alaska.

La red suministra primero energía al primario de un transformador de aislamiento, aislando la red de la tierra. Aquí, el voltaje normalmente se reduce de 22 kV a 19 kV. Un lado del secundario es el cable de transmisión único y el otro lado va a tierra.

Luego se utilizan transformadores de distribución en las instalaciones del cliente, donde los 19 kV se convierten al voltaje adecuado para el cliente, 240 voltios, por ejemplo. Un lado del primario es el cable único y el otro lado va a tierra para el retorno, que eventualmente regresa al lado de tierra del transformador de aislamiento.

La resistencia del suelo es un problema. El suelo seco es menos conductor que el húmedo y en Alaska las barras de tierra tienen que extenderse hasta debajo del permafrost, ya que el hielo también es menos conductor. Además, esta mayor resistencia también hace que el voltaje del primario flote más alto y dificulta el restablecimiento de los interruptores automáticos, ya que dependen de una diferencia de potencial.

Se pueden agregar fases adicionales agregando una segunda y tercera líneas de transmisión.

¿Ha tenido experiencia intentando crear una buena conexión a tierra? ¿Quizás te has encontrado con un suelo demasiado seco y has tenido que solucionarlo? O, como sucede con demasiada frecuencia, trabajas en un lugar donde estás seguro de que algunos enchufes de pared simplemente no tienen conexión a tierra. Háganos saber en los comentarios a continuación.

O pase al lado activo de la distribución eléctrica y consulte la serie Electrical Grid Demystified de Bryan.