¿Cómo funciona la red de tierra?

^{simular este circuito : esquema creado con CircuitLab}

Figura 1. Un transformador de distribución local que alimenta una casa con un solo aparato: una lámpara eléctrica en una caja de metal, debidamente conectada a tierra.

• Con referencia a la Figura 1, podemos ver que el transformador local aísla nuestro suministro de la estación generadora. No nos interesa si el generador está conectado a tierra o no. (El símbolo del transformador indica que no hay conexión eléctrica entre los lados primario y secundario).
• Un lado del transformador se "neutraliza" conectándolo a una pica de tierra enterrada en el suelo. Neutro, como su nombre lo indica, significa que este conductor no es ni positivo ni negativo. En circunstancias ideales, uno podría tocar este cable sin sufrir daños. (Más adelante veremos por qué esto no se recomienda).
• Todo en la casa está cableado entre L (vivo) y N (neutro).
• Los aparatos y accesorios sin doble aislamiento tienen sus cajas metálicas conectadas a tierra (masa).

Ahora hay algunas cosas a tener en cuenta sobre este arreglo:

• En circunstancias normales, toda la corriente se suministra en el cable vivo y regresa al neutro. (Sí, está alternando, pero aún podemos pensarlo de esta manera).
• En circunstancias normales NO FLUYE CORRIENTE EN EL CABLEADO DE TIERRA. Simplemente se sienta allí, tal vez nunca se use nunca, en caso de que haya una falla.
• Si el cable L de la lámpara se cae del interruptor y toca la carcasa de metal, fluirá una corriente de falla a tierra. ¿Por qué? Porque el caso está conectado a tierra que está conectado al transformador neutral.

Si no ponemos a tierra los aparatos podríamos tener una condición peligrosa.

^{simular este circuito}

Figura 2. Un aparato sin conexión a tierra con una falla interna que activa el gabinete.

Ahora, si alguien toca la lámpara, corre peligro de sufrir una descarga eléctrica. Esto puede fluir a través de su cuerpo a tierra por conducción resistiva, pero dado que el cuerpo humano tiene cierta capacitancia con la Tierra, fluirá al menos una pequeña corriente.

^{simular este circuito}

Figura 3. Una falla a tierra.

En la Figura 3 se ha producido un fallo interno.

• Debido a que el aparato está correctamente conectado a tierra, el voltaje en el aparato será bajo.
• Si la falla es grave (un buen contacto entre el cable vivo interno y la caja) Y la ruta de retorno a tierra al transformador es adecuadamente baja, fluirá una corriente alta y el fusible se quemará. Esto hará que el circuito sea seguro.
• Tenga en cuenta que dado que un cable ha sido neutralizado, no necesitamos instalar fusibles en él.

Cuando estudié cómo funciona la red eléctrica de CA, aprendí que uno de los cables está conectado a tierra o a un cuerpo de agua para que pueda regresar a la central eléctrica.

No. Solo al transformador local.

El concepto me desconcierta. Cada fuente de información con la que me he encontrado no explica cómo funciona o la pasa por alto rápidamente como si se explicara por sí misma.

Espero que lo de arriba ayude.

Si la energía puede viajar a través del agua o la tierra de regreso a la central eléctrica, ¿por qué no nos vaporizamos cuando caminamos por el suelo cerca de las líneas eléctricas?

1. Normalmente no enviamos corriente a través del suelo. Es solo en condiciones de falla.
2. Para vaporizarse, necesitaría un alto voltaje entre su pie izquierdo y su pie derecho. Si tuviéramos una falla masiva en la casa y el potencial de tierra en la varilla de tierra aumentara a 100 V y estuviera 100 m de regreso al transformador, entonces el gradiente de voltaje sería de 1 V/m. Da el paso más grande que puedas y tendrás < 2 V entre tus pies.

Además, ¿cómo un transformador de aislamiento evita que usted o su equipo se fríen?

no lo hace Simplemente lo aísla de la red eléctrica. Esta es una pregunta aparte.

Si toco ambos terminales del secundario, ¿me voy a freír?

Sí, hay tensión entre los terminales. Si está aislado, puede tocar cualquiera de los terminales y no recibir una descarga (pero recuerde la capacitancia del cuerpo y la del transformador; podría sorprenderse), pero si toca cada terminal con las manos separadas, una corriente podría fluir a través de su corazón y matarlo. .

Está confundiendo la 'central eléctrica' con el punto de retorno a tierra. La energía de CA se distribuye a través de una ciudad a alto voltaje a las subestaciones, donde se reduce a quizás 7,200 VCA. Esto, a su vez, se distribuye a los vecindarios locales donde los transformadores montados en postes o con toma de tierra reducen el voltaje a 240 VCA con suficiente corriente para alimentar de 1 a 4 hogares.

Estas subestaciones y transformadores nos aíslan de la tierra de la central, y de hecho los voltajes más altos van de transformador a transformador y son un formato 'triángulo' que no tiene tierra. La "conexión a tierra", tal como la conoce, se realiza conectando a tierra la derivación neutra en cada secundario del transformador que suministra energía a la industria y las áreas residenciales.

Los electricistas de servicios públicos insertan una varilla de puesta a tierra de cobre en ese lugar y eso establece la referencia de tierra local para ese transformador de potencia. Aquí es donde se encuentran por primera vez el cable neutro blanco de su casa y la conexión a tierra. Pero en lugar de colocar un cable de tierra separado para cada casa, tiene un cable de tierra (generalmente de cobre desnudo) conectado al bloque neutral en su panel de interruptores y va a una varilla de conexión a tierra a unos pocos metros del panel.

La empresa de energía no necesita instalar un cable a tierra desde el transformador fuente hasta su casa porque el cobre es costoso y normalmente NO hay voltaje en el cable a tierra ni corriente. Si es así, entonces tiene un electrodoméstico que está perdiendo corriente en su chasis, o tal vez un viejo taladro eléctrico con cableado deshilachado. Luego, el cable de tierra cumple su función al desviar la fuga a tierra a través de la varilla de conexión a tierra.

El suministro de energía a una casa o negocio se realiza normalmente (me estoy saltando las fuentes de alimentación 'especiales' como las trifásicas) con 2 cables negros, los cables 'activos', o L1 y L2 como a veces se les llama. Cada uno es de 120 V CA a neutro, pero 240 V CA entre ellos, ya que están desfasados ​​180 grados entre sí. El cable neutro blanco es el retorno de corriente para los aparatos de 120 VCA, sin importar qué cable negro sea la fuente de alimentación, y se conecta a tierra dentro del panel de interruptores para mantener el voltaje lo más bajo posible.

Sin embargo, aún puede recibir una descarga de electrodomésticos muy viejos, que es la forma en que muchos paneles ahora usan interruptores GFCI que se desconectarán si se detecta alguna corriente a tierra. Si toca un cable vivo y neutral o vivo y tierra al mismo tiempo. recibirá una descarga, que incluye salidas del transformador de aislamiento si toca ambos cables al mismo tiempo.

Este es un fragmento de Green Grounding Manual .pdf

DISEÑO PARA UNA INTERFAZ DE TIERRA DE BAJA RESISTENCIA (CONEXIÓN A TIERRA)

Roy B. Carpenter, Jr. y Joseph A. Lanzoni Lightning Eliminators and Consultants, Inc. Boulder, Colorado, EE. UU.

Introducción

La puesta a tierra (o puesta a tierra) es el arte de hacer una conexión eléctrica a tierra. El proceso es una combinación de ciencia y “arte” en oposición a la ciencia pura. Este proceso es necesario porque es necesario pasar por un proceso de "probar las opciones", a diferencia de los cálculos realizados a través de algún proceso formal. Las opciones para cada sitio deben determinarse a través de la visualización y evaluación, individualmente, utilizando un proceso analítico relacionado.

La tierra debe tratarse como un semiconductor, mientras que el electrodo de puesta a tierra en sí mismo es un conductor puro. Estos factores hacen que el diseño de un sistema de puesta a tierra sea complejo, no derivado de un simple cálculo o de la colocación aleatoria de algunas varillas en el suelo.

El conocimiento de las condiciones del suelo local es obligatorio y es el primer paso en el proceso de diseño. Esto incluye su contenido de humedad, temperatura y resistividad bajo un conjunto dado de condiciones.

Aprendí que uno de los cables está conectado a tierra oa un cuerpo de agua para que pueda regresar a la central eléctrica. El concepto me desconcierta. Cada fuente de información con la que me he encontrado no explica cómo funciona o la pasa por alto rápidamente como si se explicara por sí misma.

Hay sistemas de energía que utilizan el retorno a tierra, pero es muy poco común en las regiones desarrolladas. Dichos sistemas funcionan porque, si bien la tierra no es un buen conductor, su área de sección transversal es muy grande, por lo que puede conducir corrientes importantes.

Si la energía puede viajar a través del agua o la tierra de regreso a la central eléctrica, ¿por qué no nos vaporizamos cuando caminamos por el suelo cerca de las líneas eléctricas?

Por la misma razón, las aves pueden pararse en una línea eléctrica, porque la caída de voltaje en la pequeña distancia entre sus pies no es muy grande.

Además, ¿cómo un transformador de aislamiento evita que usted o su equipo se fríen?

Un transformador de aislamiento evita que se forme cualquier circuito a partir de la fuente de alimentación, la conexión a tierra y su equipo. Por ejemplo si una persona tocara el chasis del equipo y el piso al mismo tiempo.

No protege tanto al equipo de daños como a la persona que, sin darse cuenta, podría usar su cuerpo para completar el circuito a través de tierra. Nunca he usado uno, pero supongo que lo usa en los casos en que el chasis del equipo debe estar energizado debido a la naturaleza del equipo. El artículo de Wikipedia brinda un par de ejemplos más de casos de uso para transformadores de aislamiento.

Si toco ambos terminales del secundario, ¿me voy a freír?

Sí. Si pones una mano en cada terminal del secundario, vas a tener problemas. Porque se crea un circuito entre tu cuerpo y la bobina secundaria.

Editar

¿Debe calentarse la tierra si fluye corriente a través de ella? ¿La resistencia es demasiado alta para que viaje?

Sí, si forzara la corriente a través de una región estrecha de la tierra, se calentaría. Pero normalmente la tierra es muy grande, lo que reduce su resistencia eléctrica y además esparce el calor generado para que no se produzca un aumento de temperatura apreciable.

Si estoy en el tercer piso de una casa, ¿cómo me asusto si estoy a una altura considerable sobre el suelo?

Generalmente hay tuberías de agua y cableado eléctrico en su casa que conectarán eléctricamente la estructura a la tierra.

¿La estructura de madera o de hormigón de la casa debe ofrecer suficiente resistencia? ¿Qué pasa si la casa está hecha de goma gruesa?

Si su casa estuviera hecha de caucho, probablemente no se electrocutaría, incluso si tocara el cable caliente de un tomacorriente.

Cuando estudié cómo funciona la red eléctrica de CA, aprendí que uno de los cables está conectado a tierra o a un cuerpo de agua para que pueda regresar a la central eléctrica.

Eso es parcialmente cierto. Hay muchas ramas y escalones entre usted y la central eléctrica. Por lo general, un esquema de "retorno terrestre" se usa solo en la etapa de "última milla". Muchas áreas residenciales y rurales distribuyen energía (a varios miles de voltios) a través de un solo cable y utilizan la tierra como ruta de retorno. Verá ejemplos en los que hay un solo cable en la parte superior de un poste de energía y un gran transformador (llamado "pig de poste") que reduce ese alto voltaje al nivel que entra en su casa. En América del Norte, típicamente 230V.

En el transformador, hay una gran terminal aislada que se conecta a ese cable de alto voltaje en la parte superior del poste. En la foto de abajo, está en la parte superior del transformador y realmente no puedes ver nada más que el cable conectado. Pero el otro lado de ese circuito (el transformador "primario" o entrada) es un cable de tierra que está conectado al poste y llega hasta una varilla de tierra. Puede ver este cable de tierra saliendo del lado derecho del transformador y bajando por el poste.

El otro lado ("secundario" o de salida) del transformador es típicamente de 230 V y con derivación central donde la derivación central también está conectada a tierra. Esos son los tres cables más grandes que salen del costado del transformador.

Si la energía puede viajar a través del agua o la tierra de regreso a la central eléctrica, ¿por qué no nos vaporizamos cuando caminamos por el suelo cerca de las líneas eléctricas?

Porque el suelo (o el agua) están (por definición) en un potencial de suelo cero.

Además, ¿cómo un transformador de aislamiento evita que usted o su equipo se fríen? Si toco ambos terminales del secundario, ¿me voy a freír?

Esa es una pregunta muy diferente que debe hacerse por separado. Solo su primera pregunta ya ha generado una gran respuesta.