Diseño de circuito seguro

Como vimos anteriormente, un sistema de energía sin conexión segura a tierra es impredecible desde una perspectiva de seguridad. No hay forma de garantizar cuánto o qué poco voltaje existirá entre cualquier punto del circuito y la conexión a tierra.

Al conectar a tierra un lado de la fuente de voltaje del sistema de energía, se puede garantizar que al menos un punto del circuito sea eléctricamente común con la tierra y, por lo tanto, no presente riesgo de descarga eléctrica. En un sistema de energía eléctrica simple de dos cables, el conductor conectado a tierra se llama neutro , y el otro conductor se llama caliente , también conocido como live o el activo :

En lo que respecta a la fuente de voltaje y la carga, la conexión a tierra no hace ninguna diferencia. Existe únicamente por el bien de la seguridad personal, al garantizar que al menos un punto del circuito será seguro para tocar (cero voltaje a tierra).

El lado "caliente" del circuito, llamado así por su potencial de riesgo de descarga eléctrica, será peligroso al tocarlo a menos que el voltaje esté asegurado mediante una desconexión adecuada de la fuente (idealmente, mediante un procedimiento sistemático de bloqueo / etiquetado).

Es importante comprender este desequilibrio de peligro entre los dos conductores en un circuito de alimentación simple. La siguiente serie de ilustraciones se basan en sistemas de cableado domésticos comunes (que utilizan fuentes de voltaje de CC en lugar de CA para simplificar).

Si echamos un vistazo a un aparato electrodoméstico simple, como una tostadora con una carcasa de metal conductora, podemos ver que no debería haber peligro de descarga eléctrica cuando funciona correctamente. Los cables que conducen la energía a los elementos calefactores de la tostadora están aislados para que no toquen la carcasa de metal (y entre sí) mediante goma o plástico.

Sin embargo, si uno de los cables dentro de la tostadora entrara en contacto accidentalmente con la caja de metal, la caja se volverá eléctricamente común al cable, y tocar la caja será tan peligroso como tocar el cable desnudo. Si esto presenta o no un peligro de descarga eléctrica depende de qué el cable toca accidentalmente:

Si el cable "caliente" entra en contacto con la carcasa, pone en peligro al usuario de la tostadora. Por otro lado, si el cable neutro entra en contacto con la carcasa, no hay peligro de descarga:

Para ayudar a garantizar que la primera falla sea menos probable que la segunda, los ingenieros intentan diseñar los dispositivos de tal manera que se minimice el contacto del conductor caliente con la carcasa.

Por supuesto, lo ideal es que no desee que ninguno de los cables entre en contacto accidentalmente con la carcasa conductora del electrodoméstico, pero por lo general hay formas de diseñar la disposición de las partes para hacer que el contacto accidental sea menos probable para un cable que para el otro.

Sin embargo, esta medida preventiva sólo es eficaz si se puede garantizar la polaridad del enchufe. Si el enchufe se puede invertir, entonces el conductor con más probabilidades de entrar en contacto con la carcasa podría ser el "caliente":

Los aparatos diseñados de esta manera generalmente vienen con enchufes "polarizados", siendo una punta del enchufe un poco más estrecha que la otra. Los receptáculos de alimentación también están diseñados así, una ranura es más estrecha que la otra.

En consecuencia, el enchufe no se puede insertar "al revés" y se puede garantizar la identidad del conductor dentro del aparato. Recuerde que esto no tiene ningún efecto sobre la función básica del aparato:es estrictamente por el bien de la seguridad del usuario.

Algunos ingenieros abordan el problema de seguridad simplemente haciendo que la carcasa exterior del aparato no sea conductora. Estos aparatos se denominan de doble aislamiento ya que la caja aislante sirve como una segunda capa de aislamiento por encima y más allá de la de los propios conductores. Si un cable dentro del aparato entra en contacto accidentalmente con la carcasa, no hay peligro para el usuario del aparato.

Otros ingenieros abordan el problema de la seguridad manteniendo una caja conductora, pero usando un tercer conductor para conectar firmemente esa caja a tierra:

La tercera clavija del cable de alimentación proporciona una conexión eléctrica directa desde la caja del aparato a la tierra, lo que hace que los dos puntos sean eléctricamente comunes entre sí. Si son eléctricamente comunes, entonces no puede haber ninguna caída de voltaje entre ellos.

Al menos, así es como se supone que funciona. Si el conductor caliente toca accidentalmente la caja de metal del aparato, creará un cortocircuito directo de regreso a la fuente de voltaje a través del cable de tierra, disparando cualquier dispositivo de protección contra sobrecorriente. El usuario del aparato permanecerá seguro.

Por eso es tan importante no cortar nunca la tercera clavija de un enchufe de alimentación cuando se intenta colocarlo en un receptáculo de dos clavijas. Si se hace esto, no habrá conexión a tierra de la carcasa del aparato para mantener a los usuarios seguros.

El aparato seguirá funcionando correctamente, pero si hay una falla interna que hace que el cable caliente entre en contacto con la carcasa, los resultados pueden ser mortales. Si un receptáculo de dos clavijas debe Se puede utilizar un adaptador de receptáculo de dos a tres clavijas con un cable de conexión a tierra conectado al tornillo de la cubierta de conexión a tierra. Esto mantendrá la seguridad del aparato conectado a tierra mientras esté enchufado en este tipo de receptáculo.

Sin embargo, la ingeniería eléctricamente segura no necesariamente termina en la carga. Se puede disponer una protección final contra descargas eléctricas en el lado de la fuente de alimentación del circuito en lugar del aparato en sí. Esta protección se llama detección de fallas a tierra , y funciona así:

En un aparato que funciona correctamente (mostrado arriba), la corriente medida a través del conductor caliente debe ser exactamente igual a la corriente a través del conductor neutro, porque solo hay una ruta para que los electrones fluyan en el circuito. Sin fallas dentro del electrodoméstico, no hay conexión entre los conductores del circuito y la persona que toca la carcasa y, por lo tanto, no hay descargas.

Sin embargo, si el cable caliente entra en contacto accidentalmente con la caja de metal, habrá corriente a través de la persona que toque la caja. La presencia de una corriente de choque se manifestará como una diferencia de corriente entre los dos conductores de potencia en el receptáculo:

Esta diferencia de corriente entre los conductores "vivo" y "neutro" sólo existirá si hay corriente a través de la conexión a tierra, lo que significa que hay una falla en el sistema. Por lo tanto, esta diferencia de corriente se puede utilizar como una forma de detectar una condición de falla.

Si un dispositivo está configurado para medir esta diferencia de corriente entre los dos conductores de energía, la detección de desequilibrio de corriente se puede utilizar para activar la apertura de un interruptor de desconexión, cortando así la energía y previniendo descargas graves:

Estos dispositivos se denominan interruptores de corriente por falla a tierra o GFCI para abreviar. Fuera de América del Norte, el GFCI se conoce como un interruptor de seguridad, un dispositivo de corriente residual (RCD), un RCBO o RCD / MCB si se combina con un disyuntor en miniatura o un disyuntor de fuga a tierra (ELCB).

Son lo suficientemente compactos como para integrarse en un receptáculo de alimentación. Estos receptáculos se identifican fácilmente por sus distintivos botones de "Prueba" y "Reinicio". La gran ventaja de utilizar este enfoque para garantizar la seguridad es que funciona independientemente del diseño del dispositivo.

Por supuesto, sería mejor usar un electrodoméstico con doble aislamiento o con conexión a tierra además de un receptáculo GFCI, pero es reconfortante saber que se puede hacer algo para mejorar la seguridad más allá del diseño y la condición del electrodoméstico.

El interruptor de circuito de falla de arco (AFCI) , un disyuntor diseñado para prevenir incendios, está diseñado para abrirse en cortocircuitos resistivos intermitentes. Por ejemplo, un disyuntor normal de 15 A está diseñado para abrir el circuito rápidamente si se carga mucho más allá de la clasificación de 15 A, más lentamente un poco más allá de la clasificación.

Si bien esto protege contra cortocircuitos directos y varios segundos de sobrecarga, respectivamente, no protege contra arcos, similar a la soldadura por arco. Un arco es una carga altamente variable, con un pico repetitivo de más de 70 A, en circuito abierto con cruces por cero de corriente alterna.

Aunque la corriente promedio no es suficiente para disparar un interruptor estándar, es suficiente para iniciar un incendio. Este arco podría ser creado por un cortocircuito metálico que quema el metal y deja un plasma resistivo de chisporroteo de gases ionizados.

El AFCI contiene circuitos electrónicos para detectar este cortocircuito resistivo intermitente. Protege contra arcos calientes a neutros y calientes a tierra. El AFCI no protege contra los peligros de descarga personal como lo hace un GFCI. Por lo tanto, los GFCI aún deben instalarse en los circuitos de cocina, baño y exteriores.

Dado que el AFCI a menudo se dispara al arrancar motores grandes, y más generalmente en motores con escobillas, su instalación está limitada a los circuitos de dormitorio por el Código Eléctrico Nacional de EE. UU. El uso del AFCI debería reducir el número de incendios eléctricos. Sin embargo, los disparos molestos al hacer funcionar electrodomésticos con motores en circuitos AFCI son un problema.

REVISAR:

• Los sistemas de energía a menudo tienen un lado del suministro de voltaje conectado a tierra para garantizar la seguridad en ese punto.
• El conductor "conectado a tierra" en un sistema de energía se llama neutro conductor, mientras que el conductor sin conexión a tierra se llama caliente .
• La conexión a tierra en los sistemas de energía existe por el bien de la seguridad personal, no por el funcionamiento de la (s) carga (s).
• La seguridad eléctrica de un aparato u otras cargas se puede mejorar con una buena ingeniería:enchufes polarizados, doble aislamiento y enchufes de tres clavijas con "conexión a tierra" son todas formas en que se puede maximizar la seguridad en el lado de la carga.
• Interruptores de corriente por falla a tierra (GFCI) funcionan detectando una diferencia de corriente entre los dos conductores que suministran energía a la carga. No debería haber ninguna diferencia en la corriente. Cualquier diferencia significa que la corriente debe estar entrando o saliendo de la carga por algún medio distinto a los dos conductores principales, lo cual no es bueno. Una diferencia de corriente significativa abrirá automáticamente un mecanismo de interruptor de desconexión, cortando la energía por completo.

HOJAS DE TRABAJO RELACIONADAS:

• Hoja de trabajo de puesta a tierra de seguridad
• Hoja de trabajo de protección contra sobrecorriente