Tierra monofásica y trifásica

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El Código Eléctrico Nacional (NEC) define «tierra» como «Una conexión conductora, ya sea intencional o accidental, entre un circuito eléctrico o equipo eléctrico y tierra o un cuerpo conductor que actúa en lugar de tierra..”

base de un paso

La base para un servicio residencial monofásico típico se muestra en la Figura 1. Por lo general, la empresa de servicios públicos local instala un transformador cerca de un grupo de hogares y extiende el suministro de energía de 120/240 VCA a cada hogar.

La empresa de servicios públicos sería responsable del servicio hasta el medidor incluido. Fuera del medidor, la instalación del cableado es responsabilidad del instalador del sistema eléctrico y del propietario. Sin embargo, la empresa de servicios públicos puede imponer requisitos específicos para la protección de circuitos en el panel eléctrico del edificio.

La ilustración esquemática de la Figura 1 muestra un panel eléctrico típico donde estarían los dispositivos de protección del circuito. Ambos conductores vivos entrantes generalmente requerirán una forma específica de protección del circuito de la empresa de servicios públicos.

Los circuitos derivados dentro del edificio hoy en día están protegidos en su mayoría por interruptores automáticos. Hace años, los fusibles proporcionaban protección a los circuitos derivados.

Un conductor neutro en una instalación se extenderá desde la habitación transformador a la barra de tierra en el cuadro eléctrico. En el pasado, el conductor neutro estaba desnudo, aunque hoy en día la mayoría de los conductores neutros están aislados en gran medida.

De acuerdo con la última edición del NEC, un circuito derivado de 120 VCA debe constar de un conductor vivo, un conductor neutro y un cable de tierra. El conductor neutro debe estar aislado y el cable de tierra puede no estar aislado y, por lo general, no está aislado. (En el diagrama de la Figura 1, los conductores activos son la fase roja y la fase negra).

La ilustración de la Figura 1 muestra un circuito de 120 VCA extendido a una lámpara. El circuito se extiende desde el escenario rojo hasta un interruptor de luz. El interruptor de luz controla la luz. Un conductor neutro del circuito derivado se conecta a la barra de tierra en el panel. Un cable de tierra, que forma parte del circuito derivado, se conecta al metal de la lámpara.

Un piso residencial es a menudo una varilla fuera de la casa que se clava profundamente en el suelo. En los últimos años, se ha permitido la deposición de tuberías de agua y es común en muchas instalaciones antiguas. Sin embargo, el mayor uso de tuberías de plástico sería un problema si el suelo estuviera conectado a una tubería de agua. Por esta razón, los códigos recientes prohíben el uso de tuberías de agua como fuente subterránea.

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Si la fase roja y la fase negra no tienen cargas eléctricas iguales, la corriente fluirá normalmente a través del electrodo de tierra a tierra. Por lo tanto, es esencial contar con una conexión a tierra confiable, además de la tubería de agua del edificio.

FIGURA 1: Servicio en un solo paso.

Si ocurriera una falla corta en la instalación que se muestra en la figura 1, la corriente fluiría a tierra a lo largo del camino más corto.

En la Figura 2 se muestra una falla a tierra típica que ocurre en un circuito derivado de fase roja. Como se muestra, la corriente regresaría a tierra al transformador local a través de las dos tierras provistas: a en la residencia y a al transformador.

La mayor parte de la corriente de falla fluiría a la tierra del edificio ya que esta es la conexión a tierra más cercana en la mayoría de los casos. Cuando la corriente de falla alcanza la configuración del dispositivo de protección del circuito, el flujo de corriente se interrumpiría y el circuito se desactivaría.

aquí hay un falla de línea a tierra es aventado. Por supuesto, otra falla potencial sería un corto línea a línea. Las fallas de línea a línea son menos comunes y es menos probable que causen lesiones o pérdidas materiales. Sin embargo, los dispositivos de protección de circuitos deben poder evitar una condición de sobrecorriente que resulte de un cortocircuito de línea a línea.

tierra monofásica

FIGURA 2: Falla monofásica de línea a tierra.

Base trifásica

El origen de circuitos trifasicos la instalación de un usuario de electricidad puede verse diferente a las prácticas de depósito de servicios públicos. De cualquier manera, siempre existe la necesidad de mejores prácticas establecidas. Un circuito trifásico sigue muchos principios de los circuitos monofásicos.

En la Figura 3 se muestra un servicio típico trifásico de cuatro hilos a un panel trifásico. El servicio de cuatro hilos del ejemplo de la Figura 3 tiene cuatro conductores por definición: fase A (representada por el conductor «A»). , la fase B (representada por el conductor «B»), la fase C (representada por el conductor «C») y el conductor neutro (representado por el conductor «N»).

Extienda un circuito derivado que contenga los conductores A, B y C a un motor en estrella. Un conductor de tierra del equipo también se extiende al motor y se conecta a la estructura del motor. El funcionamiento del motor que se muestra en la Figura 3 está controlado por un arrancador de motor.

Al igual que con un panel eléctrico monofásico, se proporciona una barra de conexión a tierra dentro del panel para realizar las conexiones a los conductores neutros, los conductores de conexión a tierra del equipo y el conductor de alimentación.

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El estándar NEC requiere que la resistencia a tierra no exceda los 25 Ω. Sin embargo, muchos ingenieros consideran que se necesita una resistencia mucho menor cuando se trata de grandes corrientes. Una resistencia en el rango de 0,1 a 1,0 Ω, o menos, se considera un valor más práctico.

servicio de tres pases

FIGURA 3: Servicio de tres pasadas.

La ruta de corriente resultante de una falla a tierra típica en un circuito trifásico se muestra en la Figura 4. Como se muestra en la Figura 4, se supone que la falla a tierra va de la fase B en la Figura 3 a tierra. La corriente fluiría a través del corto a tierra, a la barra de tierra del panel, al conductor neutro y al transformador respectivo.

Falla trifásica de línea a tierra.

FIGURA 4: Falla trifásica de línea a tierra.

Resistencias de tierra

Energia electrica, sin pasaporte oa través de un pase, proporcionado a un usuario tal como una residencia o un edificio comercial que generalmente se basa en una conexión de «tierra sólida».

La tierra sólida generalmente es un conductor que se conecta a una fuente de tierra, como una varilla de tierra, una placa de arcilla o, como era común en el pasado, simplemente tuberías de agua subterráneas. Las conexiones sólidas a tierra se muestran en las Figuras 3 a 4.

El propósito del conductor del electrodo de tierra es minimizar la resistencia al flujo de corriente eléctrica a la fuente de tierra.

En otras palabras, el conductor del electrodo de tierra debe tener una resistencia baja. Por otro lado, las instalaciones de distribución de energía industrial que involucran grandes transformadores, generadores, motores grandes y varios otros tipos de equipos eléctricos a menudo están equipados con una resistencia de un tipo u otro en el camino de tierra.

De acuerdo con los estándares IEEE, el hace que la corriente sea limitada por la resistencia de tierra puede ser uno o más de los siguientes:

  1. Para reducir los efectos de la quema y la fusión en equipos eléctricos defectuosos, como interruptores, transformadores, cables y maquinaria rotativa
  2. Reducción del estrés mecánico en circuitos y dispositivos que transportan corrientes de falla
  3. Para reducir el riesgo de descarga eléctrica al personal a través de corrientes de falla a tierra perdidas en la ruta de retorno a tierra
  4. Para reducir el riesgo de formación de arcos o relámpagos para el personal que pueda causar una falla accidentalmente o que esté cerca de tierra
  5. Para reducir la caída momentánea en la tensión de línea debido a la ocurrencia y eliminación de una falla a tierra
  6. Garantizar el control de sobretensiones transitorias y evitar el corte del circuito de la instalación cuando aparece el primer defecto a tierra (tierra de alta resistencia)
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Detector de fallas a tierra

Los detectores de fallas a tierra se usan comúnmente con sistemas de tierra sin conexión a tierra y de alta resistencia (HGR). Un detector de falla a tierra generalmente tiene un CT a través del cual pasan todos los conductores de energía en el circuito. El TC puede estar alejado del detector o el TC puede insertarse en el dispositivo.

En condiciones normales, el equilibrio de las corrientes trifásicas y el detector de defecto a tierra no detecta desviación. En caso de un corto a tierra, las corrientes detectadas se desequilibrarían y el detector de fallas a tierra vería la diferencia.

En algunos circuitos, un detector de falla a tierra se usa simplemente para hacer sonar una alarma en caso de una condición de falla a tierra sin realizar ninguna acción para apagar el circuito.

En otros casos, se puede usar un detector de falla a tierra para iniciar la acción directamente para desactivar el circuito respectivo. En algunos casos, los códigos aplicables requieren detectores de fallas a tierra para desactivar los circuitos.

Específicamente, los detectores de fallas a tierra son requeridos por algunos códigos para las instalaciones eléctricas de las minas y para algunos equipos portátiles. En la Figura 5 se muestra un circuito típico que usa un detector de falla a tierra y HGR.

detector de fallas a tierra

FIGURA 5: Detección de falla a tierra y HGR.

Reactancia tierra neutra

En generadores y transformadores más grandes, es común usar un reactor de tierra neutral en lugar de una resistencia de tierra neutral o una resistencia de tierra alta para limitar las corrientes de falla a tierra.

A diferencia de la resistencia de tierra neutra o la resistencia de tierra alta que proporciona resistencia al flujo de corriente por medio de elementos resistivos, el reactor de tierra neutra resiste el flujo de corriente con elementos inductivos.

Un reactor de tierra neutra consta de bobinas enrolladas alrededor de un núcleo de aire o un núcleo de hierro. Un reactor de tierra neutral está cableado entre el circuito neutral y tierra como se muestra en la Figura 6.

Durante la operación de corriente normal, el flujo a través del reactor a tierra es cero. Con una condición balanceada, el flujo de corriente sería cero; en una condición de red desequilibrada, el flujo de corriente sería bajo debido al aumento neutral de la red.

Al igual que la resistencia de tierra neutra o la resistencia de tierra alta, un reactor de tierra neutra reduce en gran medida la tensión en el equipo que, de otro modo, resultaría de las altas corrientes de falla a tierra.

Reactancia tierra neutraFIGURA 6: Reactancia tierra neutra.

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