¿Cómo funciona la varilla de tierra eléctrica?

El artículo ya explica que el circuito de la segunda imagen no es seguro debido a la posibilidad de fallas a tierra.

Entonces, ¿cómo protege la conexión a tierra a las personas de electrodomésticos defectuosos, como cuando un cable vivo deshilachado toca una carcasa de metal?

Me parece que en realidad está preguntando cómo un sistema con un dispositivo de corriente residual (RCD) lo protege de recibir una descarga eléctrica en tal caso. En tal sistema, la imagen de arriba se vería así.

El disyuntor de corriente residual (RCD) forma la suma de todas las corrientes en la línea de fase y la línea neutra. En un sistema sin falla a tierra, la suma siempre es cero.

Si ahora una corriente regresa a la fuente de energía a través de una ruta de corriente no deseada, entonces la suma de todas las corrientes en el RCD ya no es cero y el RCD rompe el circuito.

Por ejemplo, en la imagen, si hay una conexión accidental de la línea de fase a la carcasa metálica de su consumidor (rojo), entonces una gran parte de la corriente fluirá a través de este nuevo camino, ya que la carcasa metálica está conectada a tierra. El RCD romperá el circuito antes de que una persona tenga la oportunidad de tocar la carcasa de metal.

Por otro lado, si la persona toca la línea de fase directamente (amarilla), la persona seguirá recibiendo la descarga, pero el RCD limitará el tiempo que la persona recibe la descarga a unos pocos milisegundos, ya que el RCD volverá a interrumpir el circuito tan pronto como sea posible. a medida que se detecta la corriente faltante. Esto significa que básicamente puede detectar si ocurrió alguna falla a tierra en alguna parte.

Lo que está preguntando es exactamente el problema con los "sistemas aislados" y por qué no los usamos mucho .

Al principio, parece inteligente simplemente hacer que los cables "vivos" y "neutros" floten sin referencia a tierra. Llamo a esta situación "La primera falla a tierra es gratuita" (no tiene consecuencias), como en su segunda ilustración, donde el ser humano es la primera falla a tierra.

El problema es que también nos ciega a la primera falla a tierra. Es gratis, así que no nos damos cuenta de lo que está pasando. Ese equipo ha fallado de vivo a tierra, y no lo sabemos. Entonces, cuando la persona también hace una conexión entre, digamos neutral y tierra , se convierte en la segunda falla a tierra y definitivamente es letal para ellos.

¿Captaste la parte sobre neutral siendo en vivo? De hecho, eso sucedió en un edificio alimentado por su propio transformador. Era un sistema aislado por accidente; su conexión a tierra neutral estaba defectuosa. La "primera falla a tierra libre" había ocurrido dentro de una lámpara en la fase L1. Esto llevó a L1 a tierra, haciéndolo neutral. "El cable anteriormente conocido como neutral" ahora era de 120 V a tierra y L2 era de 240 V a tierra. Todo el resto del aislamiento aguantó y todo funcionó normalmente. Y yo estaba trabajando en un circuito que definitivamente apagué en el interruptor, encendí L1 a tierra con mi destornillador mientras miraba hacia otro lado (hacia la luz) y ¡ sorpresa! ¡La luz fluorescente trazó su arco y se volvió a encender! (no el arco eléctrico que esperaba). Lo descubro PDQ, pero santo humo... ¡Estaba a punto de tocar "El cable antes conocido como neutral"! Menos mal que revisé.

Cuando se usan sistemas aislados (a propósito jajaja), es en instalaciones con supervisión de ingeniería activa, donde puede salirse con la suya con muchas cosas porque el personal competente verifica fallas a intervalos frecuentes. Como resultado, "la primera falla a tierra" se detecta temprano y se elimina antes de que ocurra una segunda falla a tierra.

Lo primero a tener en cuenta es que el voltaje de suministro es relativamente pequeño.$(100 - 240 \,\rm V)$en comparación con el voltaje transmitido$(100 \rm s \,kV)$por lo que las posibilidades de supervivencia después de una descarga eléctrica aumentan mucho.

El cable neutro está aproximadamente al potencial de tierra, mientras que el potencial del cable vivo fluctuó por encima y por debajo del potencial de tierra.

El cable de tierra está en posición de proteger un dispositivo que, a su vez, puede proteger a un ser humano.
Lo hace con la inclusión de un fusible en el cable vivo y la puesta a tierra de las partes metálicas del dispositivo.
Una falla como que el cable con corriente toque la carcasa de metal del dispositivo hará que el fusible se funda y, por lo tanto, desconecte el cable con corriente del dispositivo y lo haga seguro.

Su segunda imagen sería equivalente a tocar el cable vivo sin fusible en el circuito o el fusible no se quema.
En tal situación, recibirá una descarga, pero es de esperar que sobreviva, ya que los voltajes involucrados y las corrientes generadas por ellos son relativamente bajos.
Si la falla es que el cable con corriente toca una parte metálica del dispositivo que está conectado a tierra, es de esperar que al tocar la parte metálica del dispositivo se produzca una descarga menor, ya que ahora hay una ruta alternativa, es decir, la corriente puede pasar desde el dispositivo. a través del cable de tierra y usted, lo que con suerte significa menos a través de usted

Los dispositivos de corriente residual funcionan con un principio diferente en el sentido de que monitorean la diferencia de corriente entre el neutro y el vivo.
Si debido a una falla (o toca el cable vivo) la diferencia supera un cierto valor (por ejemplo,$30\,\rm mA)$el dispositivo de corriente residual se dispara y desconecta el cable vivo.
A veces se prefieren los dispositivos de corriente residual para fusionar, ya que algunos los consideran más seguros que los fusibles.

Entonces, ¿cómo protege la conexión a tierra a las personas de electrodomésticos defectuosos, como cuando un cable vivo deshilachado toca una carcasa de metal? El cable de tierra está diseñado para redirigir esta carga a tierra a través de la varilla, pero de acuerdo con esta ilustración, si tiene una sola conexión a tierra, no fluye corriente. Entonces, ¿cómo se redirige la carga de un aparato defectuoso?

Bueno, echemos un vistazo a un ejemplo de cómo podría funcionar esto en una casa típica en los Estados Unidos. Este ejemplo muestra una instalación que no tiene GFCI .

En el lado izquierdo de la imagen, hay dos dispositivos. El primer dispositivo es la fuente de alimentación de entrada de 120 V 60 Hz, de la que salen dos cables: el cable vivo (que se muestra en verde) y el cable neutro (que se muestra en gris). El segundo dispositivo es la varilla de tierra.

El siguiente es el panel de disyuntores, que contiene dos cosas importantes. En el cable vivo, tiene un disyuntor (representado aquí por un símbolo de fusible). La otra cosa importante que contiene es una conexión entre el cable neutro (de la fuente de alimentación entrante) y el cable de tierra (de la varilla de tierra).

De la caja de interruptores sale un cable que contiene tres hilos: el hilo vivo, el hilo neutro y el hilo de tierra. Este cable se conecta a algún tipo de electrodoméstico. Tanto el cable vivo como el cable neutro están conectados a algún tipo de carga (representada aquí por una resistencia), y el cable de tierra se conecta a la carcasa del aparato. Aquí hay un circuito completo, y el circuito tiene una resistencia de 8 ohmios, por lo que solo fluyen 15 A de corriente y el disyuntor no se dispara.

Ahora, ¿qué sucede si un cable vivo deshilachado toca la carcasa de metal de ese aparato? Entonces el circuito se parece más a esto:

Ahora se ha formado un nuevo circuito completo. El circuito comienza en la fuente de alimentación de entrada, luego entra en la caja de interruptores, a través del interruptor de circuito, sale de la caja de interruptores, pasa por el cable vivo, entra en el electrodoméstico, pasa por la falla a tierra, vuelve a salir del electrodoméstico, a través de la tierra. alambre, dentro de la caja de interruptores de nuevo, a través de la conexión a tierra-neutro, de vuelta fuera de la caja de interruptores de nuevo, y finalmente de vuelta a la fuente de alimentación de entrada.

Este nuevo circuito tiene muy poca resistencia, por lo que fluirá una gran cantidad de corriente y el disyuntor se disparará.

Tenga en cuenta que la varilla de tierra en realidad no juega ningún papel en este escenario en particular. Si faltara la varilla de tierra, habría pasado exactamente lo mismo.

Donde entra en juego la varilla de tierra es si un cable caliente toca, por ejemplo, una cerca de metal al aire libre. Es probable que la cerca de metal no tenga un cable de conexión a tierra, pero la cerca está en contacto con la tierra (el suelo real alrededor de la casa). La varilla de tierra también está en contacto con la tierra, y la tierra conduce la electricidad (¡siempre que no esté demasiado seca!), por lo que se forma un circuito completo de esa manera.

La conexión a tierra (estacas de metal en el suelo o tuberías de agua de metal) no está destinada a protegerlo de aparatos defectuosos. Para eso está el cable protector de tierra .

Es fácil combinar la conexión a tierra con la tierra de protección y el conductor neutro porque todos están unidos entre sí en el panel del disyuntor, pero cada uno tiene un propósito diferente.

El conductor neutro normalmente transporta corriente para el aparato.

La tierra de protección normalmente no transporta corriente, pero puede hacerlo si hay una falla. Se supone que el cable de tierra debe estar conectado a cualquier parte metálica expuesta del aparato. Si, debido a una falla en el cableado dentro del electrodoméstico, el chasis toca el conductor "caliente", entonces habrá un cortocircuito a través de la tierra protectora que activará el disyuntor y el chasis no se "caliente". Una de las razones por las que el neutro no puede cumplir ese propósito es porque es demasiado fácil que el calor y el neutro se cambien accidentalmente: dentro del electrodoméstico, dentro de las paredes de su hogar, etc. Tener una conexión a tierra separada, dedicada y codificada por color El cable hace que tales errores sean menos comunes.

La conexión con la Tierra es un poco más difícil de explicar. Los sistemas de distribución de energía se basan en transformadores, y la salida de un transformador normalmente no tiene conexión de CC a la entrada ni a ninguna otra cosa. Decimos que la salida está "aislada". A veces, el aislamiento es algo bueno: su segunda ilustración muestra a una persona que no se sorprende cuando toca una fuente de energía aislada y la Tierra al mismo tiempo.

Sin embargo , el aislamiento puede ser algo malo cuando tienes líneas eléctricas aéreas de larga distancia. Esas líneas pueden acumular una carga de miles a millones de voltios debido a los efectos atmosféricos (es decir, lo mismo que causa los rayos en las tormentas eléctricas). Es por eso que las redes eléctricas están conectadas a la Tierra, no solo en el panel de distribución de su hogar. , pero en las estaciones generadoras, y en prácticamente todos los postes o torres intermedias también. Eso evita que el voltaje en cualquier parte del sistema en relación con la Tierra sea más alto que el voltaje nominal para esa parte del sistema.