En ingeniería eléctrica , tierra o tierra puede ser un punto de referencia en un circuito eléctrico desde el cual se miden voltajes , una ruta de retorno común para la corriente eléctrica o una conexión física directa a la Tierra.
Los circuitos eléctricos pueden estar conectados a tierra por varias razones. Las partes conductoras expuestas de los equipos eléctricos están conectadas a tierra para proteger a los usuarios del riesgo de descarga eléctrica . Si falla el aislamiento interno, pueden aparecer voltajes peligrosos en las partes conductoras expuestas. Conectar partes conductoras expuestas a un cable de "Tierra" que proporciona una ruta de baja impedancia para que la corriente fluya de regreso al Neutro entrante (que también está conectado a Tierra, cerca del punto de entrada) permitirá que los disyuntores (o RCD ) interrumpan suministro de energía en caso de falla. En los sistemas de distribución de energía eléctrica, un conductor de tierra de protección (PE) es una parte esencial de la seguridad que brinda el sistema de puesta a tierra .
La conexión a tierra también limita la acumulación de electricidad estática al manipular productos inflamables o dispositivos sensibles a la electrostática . En algunos circuitos de telégrafo y de transmisión de energía , la propia tierra se puede utilizar como un conductor del circuito, ahorrando el costo de instalar un conductor de retorno separado (consulte telégrafo de retorno a tierra y retorno a tierra de un solo cable ).
A efectos de medición, la Tierra sirve como referencia de potencial (razonablemente) constante con respecto a la cual se pueden medir otros potenciales. Un sistema eléctrico de tierra debe tener una capacidad adecuada de transporte de corriente para servir como un nivel de referencia de voltaje cero adecuado. En la teoría de circuitos electrónicos , una "tierra" suele idealizarse como una fuente o sumidero infinito de carga, que puede absorber una cantidad ilimitada de corriente sin cambiar su potencial. Cuando una conexión a tierra real tiene una resistencia significativa, la aproximación del potencial cero ya no es válida. Se producirán tensiones parásitas o efectos de aumento del potencial de tierra , que pueden crear ruido en las señales o producir un riesgo de descarga eléctrica si son lo suficientemente grandes.
El uso del término tierra (o tierra) es tan común en aplicaciones eléctricas y electrónicas que se puede decir que los circuitos de dispositivos electrónicos portátiles , como teléfonos móviles y reproductores multimedia , así como los circuitos de vehículos , tienen una "tierra". o conexión a tierra del chasis sin ninguna conexión real a la Tierra, a pesar de que "común" es un término más apropiado para dicha conexión. Suele ser un conductor grande conectado a un lado de la fuente de alimentación (como el " plano de tierra " en una placa de circuito impreso ), que sirve como ruta de retorno común para la corriente de muchos componentes diferentes del circuito.
Los sistemas de telégrafo electromagnético de larga distancia desde 1820 en adelante [2] utilizaban dos o más cables para transportar la señal y devolver las corrientes. El científico alemán Carl August von Steinheil descubrió en 1836-1837 que la tierra podía usarse como camino de retorno para completar el circuito, haciendo innecesario el cable de retorno. [3] Steinheil no fue el primero en hacer esto, pero no estaba al tanto de trabajos experimentales anteriores, y fue el primero en hacerlo en un telégrafo en servicio, dando así a conocer el principio a los ingenieros de telégrafos en general. Sin embargo, hubo problemas con este sistema, ejemplificados por la línea telegráfica transcontinental construida en 1861 por la Western Union Company entre St. Joseph, Missouri , y Sacramento, California . Durante el tiempo seco, la conexión a tierra a menudo desarrollaba una alta resistencia, lo que requería verter agua sobre la varilla de tierra para permitir que el telégrafo funcionara o que sonaran los teléfonos.
A finales del siglo XIX, cuando la telefonía comenzó a reemplazar a la telegrafía, se descubrió que las corrientes en la tierra inducidas por los sistemas de energía, los ferrocarriles eléctricos, otros circuitos telefónicos y telegráficos y las fuentes naturales, incluidos los rayos, causaban interferencias inaceptables en las señales de audio, y el sistema de dos hilos o 'circuito metálico' se reintrodujo alrededor de 1883. [4]
Los sistemas de distribución de energía eléctrica suelen estar conectados a tierra para limitar el voltaje que puede aparecer en los circuitos de distribución. Un sistema de distribución aislado de tierra puede alcanzar un alto potencial debido a voltajes transitorios causados por la electricidad estática o el contacto accidental con circuitos de mayor potencial. Una conexión a tierra del sistema disipa dichos potenciales y limita el aumento de voltaje del sistema puesto a tierra.
En una instalación de cableado de red eléctrica (alimentación de CA), el término conductor de tierra generalmente se refiere a dos conductores o sistemas de conductores diferentes, como se enumeran a continuación:
Los conductores de conexión de equipos o los conductores de tierra de equipos (EGC) proporcionan una ruta de baja impedancia entre las partes metálicas del equipo que normalmente no transportan corriente y uno de los conductores de la fuente de ese sistema eléctrico. Si alguna pieza metálica expuesta se energiza (falla), como por un aislante desgastado o dañado, se crea un cortocircuito, lo que hace que el dispositivo de sobrecorriente (disyuntor o fusible) se abra, eliminando (desconectando) la falla. Es importante señalar que esta acción ocurre independientemente de si existe una conexión a tierra física (tierra); la tierra misma no tiene ningún papel en este proceso de eliminación de fallas [5] ya que la corriente debe regresar a su fuente; sin embargo, las fuentes muy frecuentemente están conectadas a la tierra física (tierra). [6] (ver leyes del circuito de Kirchhoff ). Al unir (interconectar) todos los objetos metálicos expuestos que no transportan corriente, así como a otros objetos metálicos como tuberías o acero estructural, deben permanecer cerca del mismo potencial de voltaje, reduciendo así la posibilidad de una descarga. Esto es especialmente importante en baños donde uno puede estar en contacto con varios sistemas metálicos diferentes, como tuberías de suministro y drenaje y marcos de electrodomésticos. Cuando se va a conectar eléctricamente un sistema conductor a la tierra física (tierra), se coloca el conductor de conexión del equipo y el conductor del electrodo de tierra al mismo potencial (por ejemplo, consulte § Tubería de agua metálica como electrodo de tierra a continuación).
AEl conductor del electrodo de conexión a tierra (GEC) se utiliza para conectar el conductor conectado a tierra ("neutro") del sistema o el equipo a un electrodo de conexión a tierra o a un punto del sistema del electrodo de conexión a tierra. Esto se denomina "conexión a tierra del sistema" y la mayoría de los sistemas eléctricos deben estar conectados a tierra. El NEC de EE. UU. y el BS 7671del Reino Unidoenumeran los sistemas que deben estar conectados a tierra. [7]Según el NEC, el propósito de conectar un sistema eléctrico a la tierra física (tierra) es limitar el voltaje impuesto por los rayos y el contacto con líneas de mayor voltaje. En el pasado,de suministro de aguase utilizaban como electrodos de conexión a tierra, pero debido al creciente uso de tuberías de plástico, que son malos conductores, las autoridades reguladoras suelen exigir el uso de un electrodo de conexión a tierra específico. El mismo tipo de tierra se aplica a las antenas de radio y a los sistemas de protección contra rayos.
Los equipos eléctricos instalados permanentemente, a menos que no sea necesario, tienen conductores de puesta a tierra conectados permanentemente. Los dispositivos eléctricos portátiles con carcasa metálica pueden estar conectados a tierra mediante una clavija en el enchufe (consulte Enchufes y tomas de corriente CA ). El tamaño de los conductores de puesta a tierra de alimentación suele estar regulado por las normas de cableado locales o nacionales.
Estrictamente hablando, los términos puesta a tierra o puesta a tierra se refieren a una conexión eléctrica a tierra. La unión es la práctica de conectar eléctricamente intencionalmente elementos metálicos que no están diseñados para transportar electricidad. Esto hace que todos los elementos unidos tengan el mismo potencial eléctrico como protección contra descargas eléctricas. Luego, los elementos unidos se pueden conectar a tierra para eliminar voltajes extraños. [8]
En los sistemas de suministro de electricidad, un sistema de puesta a tierra define el potencial eléctrico de los conductores en relación con el de la superficie conductora de la Tierra. La elección del sistema de puesta a tierra tiene implicaciones para la seguridad y la compatibilidad electromagnética del suministro eléctrico. Las regulaciones para los sistemas de puesta a tierra varían considerablemente entre diferentes países.
Una conexión a tierra funcional sirve más que para proteger contra descargas eléctricas, ya que dicha conexión puede transportar corriente durante el funcionamiento normal de un dispositivo. Dichos dispositivos incluyen supresión de sobretensiones, filtros de compatibilidad electromagnética, algunos tipos de antenas y diversos instrumentos de medición. Generalmente el sistema de tierra de protección también se utiliza como tierra funcional, aunque esto requiere cuidado.
Los sistemas de distribución de energía pueden estar sólidamente conectados a tierra, con un conductor de circuito conectado directamente a un sistema de electrodo de conexión a tierra. Alternativamente, se puede conectar cierta cantidad de impedancia eléctrica entre el sistema de distribución y tierra, para limitar la corriente que puede fluir a tierra. La impedancia puede ser una resistencia o un inductor (bobina). En un sistema puesto a tierra de alta impedancia, la corriente de falla se limita a unos pocos amperios (los valores exactos dependen de la clase de voltaje del sistema); un sistema puesto a tierra de baja impedancia permitirá que fluyan varios cientos de amperios en caso de falla. Un gran sistema de distribución sólidamente conectado a tierra puede tener decenas de miles de amperios de corriente de falla a tierra.
En un sistema de CA polifásico, la suma vectorial instantánea de las fases es cero. Este punto neutro se utiliza comúnmente para referir las tensiones de fase a tierra en lugar de conectar uno de los conductores de fase a tierra. Para este fin se puede utilizar cualquier transformador conectado en Δ-Y (triángulo-estrella). Se puede utilizar un transformador de nueve devanados (un transformador en "zig zag" ) para equilibrar las corrientes de fase de una fuente conectada en triángulo con una carga desequilibrada.
Los sistemas de puesta a tierra de baja resistencia utilizan una resistencia de puesta a tierra neutra (NGR) para limitar la corriente de falla a 25 A o más. Los sistemas de puesta a tierra de baja resistencia tendrán un tiempo nominal (digamos, 10 segundos) que indica cuánto tiempo la resistencia puede transportar la corriente de falla antes de sobrecalentarse. Un relé de protección de falla a tierra debe disparar el disyuntor para proteger el circuito antes de que ocurra el sobrecalentamiento de la resistencia.
Los sistemas de puesta a tierra de alta resistencia (HRG) utilizan un NGR para limitar la corriente de falla a 25 A o menos. Tienen una clasificación continua y están diseñados para funcionar con una sola falla a tierra. Esto significa que el sistema no se disparará inmediatamente ante la primera falla a tierra. Si ocurre una segunda falla a tierra, un relé de protección de falla a tierra debe disparar el disyuntor para proteger el circuito. En un sistema HRG, se utiliza una resistencia sensora para monitorear continuamente la continuidad del sistema. Si se detecta un circuito abierto (por ejemplo, debido a una soldadura rota en el NGR), el dispositivo de monitoreo detectará el voltaje a través de la resistencia de detección y disparará el disyuntor. Sin una resistencia sensora, el sistema podría continuar funcionando sin protección a tierra (ya que una condición de circuito abierto enmascararía la falla a tierra) y podrían ocurrir sobretensiones transitorias. [9]
Cuando el peligro de descarga eléctrica es alto, se pueden utilizar sistemas de alimentación especiales sin conexión a tierra para minimizar la posible fuga de corriente a tierra. Ejemplos de tales instalaciones incluyen áreas de atención al paciente en hospitales, donde el equipo médico está conectado directamente a un paciente y no debe permitir que ninguna corriente eléctrica pase al cuerpo del paciente. Los sistemas médicos incluyen dispositivos de monitoreo para advertir de cualquier aumento de la corriente de fuga. En sitios de construcción húmedos o en astilleros, se pueden proporcionar transformadores de aislamiento para que una falla en una herramienta eléctrica o su cable no exponga a los usuarios a un riesgo de descarga eléctrica.
Los circuitos utilizados para alimentar equipos sensibles de producción de audio/vídeo o instrumentos de medida podrán alimentarse desde un sistema eléctrico técnico aislado y sin conexión a tierra para limitar la inyección de ruido procedente del sistema eléctrico.
En los sistemas de distribución eléctrica de CA con retorno a tierra de un solo cable (SWER), se ahorran costos al utilizar un solo conductor de alto voltaje para la red eléctrica , mientras se dirige la corriente de retorno de CA a través de la tierra. Este sistema se utiliza principalmente en zonas rurales donde, de otro modo, las grandes corrientes de tierra no causarán peligros.
Algunos sistemas de transmisión de energía de corriente continua de alto voltaje (HVDC) utilizan la tierra como segundo conductor. Esto es especialmente común en sistemas con cables submarinos, ya que el agua de mar es un buen conductor. Se utilizan electrodos de puesta a tierra enterrados para realizar la conexión a tierra. La ubicación de estos electrodos debe elegirse cuidadosamente para evitar la corrosión electroquímica en estructuras subterráneas.
Una preocupación particular en el diseño de subestaciones eléctricas es el aumento del potencial de tierra . Cuando se inyectan corrientes de falla muy grandes en la tierra, el área alrededor del punto de inyección puede aumentar a un potencial alto con respecto a puntos distantes de él. Esto se debe a la conductividad finita limitada de las capas de suelo en el terreno de la subestación. El gradiente de voltaje (el cambio de voltaje a lo largo de la distancia hasta el punto de inyección) puede ser tan alto que dos puntos en el suelo pueden tener potenciales significativamente diferentes. Esta pendiente crea un peligro para cualquier persona que se encuentre en el suelo en una zona de la subestación eléctrica que no esté suficientemente aislada del suelo. Las tuberías, rieles o cables de comunicación que ingresan a una subestación pueden tener diferentes potenciales de tierra dentro y fuera de la subestación, lo que crea un voltaje de contacto peligroso para personas desprevenidas que puedan tocar esas tuberías, rieles o cables. Este problema se soluciona creando un plano de conexión equipotencial de baja impedancia instalado de acuerdo con IEEE 80, dentro de la subestación. Este plano elimina los gradientes de voltaje y garantiza que cualquier falla se elimine dentro de tres ciclos de voltaje. [10]
Las tierras de señal sirven como rutas de retorno para señales y energía (a voltajes muy bajos , menos de aproximadamente 50 V) dentro de los equipos y en las interconexiones de señales entre equipos. Muchos diseños electrónicos cuentan con un retorno único que actúa como referencia para todas las señales. Las tierras de alimentación y señal a menudo se conectan, generalmente a través de la caja metálica del equipo. Los diseñadores de placas de circuito impreso deben tener cuidado en el diseño de los sistemas electrónicos para que las corrientes de alta potencia o de conmutación rápida en una parte de un sistema no inyecten ruido en partes sensibles de bajo nivel de un sistema debido a alguna impedancia común en la conexión a tierra. huellas del trazado.
El voltaje se define como la diferencia de potenciales eléctricos entre puntos en un campo eléctrico. Se utiliza un voltímetro para medir la diferencia de potencial entre un punto y un punto de referencia. Este punto de referencia común se denomina "tierra" y se considera que tiene potencial cero. Las señales se definen con respecto a la tierra de la señal , que puede estar conectada a una tierra de alimentación . Un sistema donde la tierra del sistema no está conectada a otro circuito o a tierra (en el que aún puede haber acoplamiento de CA entre esos circuitos) a menudo se denomina tierra flotante y puede corresponder a aparatos de Clase 0 o Clase II .
Algunos dispositivos requieren una conexión a la masa de tierra para funcionar correctamente, a diferencia de cualquier función puramente protectora. Esta conexión se conoce como tierra funcional; por ejemplo, algunas estructuras de antenas de longitud de onda larga requieren una conexión a tierra funcional, que generalmente no debe conectarse indiscriminadamente a la tierra protectora de suministro, ya que la introducción de radiofrecuencias transmitidas en la red de distribución eléctrica es tanto ilegal y potencialmente peligroso. Debido a esta separación, normalmente no se debe confiar en que una tierra puramente funcional realice una función protectora. Para evitar accidentes, estas tierras funcionales normalmente están conectadas con un cable blanco, crema o rosa, y no con verde o verde/amarillo.
En estaciones de televisión , estudios de grabación y otras instalaciones donde la calidad de la señal es crítica, a menudo se instala una tierra de señal especial conocida como "tierra técnica" (o "tierra técnica", "tierra especial" y "tierra de audio"), para evitar bucles de tierra . Esto es básicamente lo mismo que una conexión a tierra de alimentación de CA, pero no se permiten conexiones a tierra de ningún electrodoméstico general, ya que pueden transmitir interferencias eléctricas. Por ejemplo, en un estudio de grabación sólo se conectan equipos de audio a la tierra técnica. [12] En la mayoría de los casos, los bastidores de equipos metálicos del estudio están unidos con cables de cobre pesados (o tubos o barras colectoras de cobre aplanados ) y se realizan conexiones similares a la tierra técnica. Se tiene mucho cuidado de que no se coloquen en los racks ningún aparato general conectado a tierra del chasis, ya que una única conexión a tierra de CA a la tierra técnica destruirá su eficacia. Para aplicaciones particularmente exigentes, la conexión a tierra técnica principal puede consistir en un tubo de cobre pesado, si es necesario instalado mediante perforación a través de varios pisos de concreto, de modo que todas las conexiones a tierra técnica puedan conectarse por el camino más corto posible a una varilla de puesta a tierra en el sótano.
Ciertos tipos de antenas de radio (o sus líneas de alimentación ) requieren una conexión a tierra. Dado que las frecuencias de radio de la corriente en las antenas de radio son mucho más altas que la frecuencia de 50/60 Hz de la línea eléctrica, los sistemas de puesta a tierra de radio utilizan principios diferentes a los de la conexión a tierra de alimentación de CA. [13] Los cables de tierra de seguridad de "tierra de protección" (PE) en el cableado de edificios de servicios públicos de CA no fueron diseñados y no pueden usarse para este propósito. Los largos cables de tierra de los servicios públicos tienen una alta impedancia en ciertas frecuencias. En el caso de un transmisor, la corriente de RF que fluye a través de los cables de tierra puede irradiar interferencias de radiofrecuencia e inducir voltajes peligrosos en las partes metálicas conectadas a tierra de otros aparatos, por lo que se utilizan sistemas de tierra separados. [13]
Las antenas monopolares que funcionan a frecuencias más bajas, por debajo de 20 MHz, utilizan la Tierra como parte de la antena, como plano conductor para reflejar las ondas de radio. Estos incluyen la antena en T y L invertida , la antena tipo paraguas y el radiador de mástil utilizado por las estaciones de radio AM. La línea de alimentación del transmisor está conectada entre la antena y tierra, por lo que requiere un sistema de conexión a tierra (tierra) debajo de la antena para hacer contacto con el suelo y recolectar la corriente de retorno. El sistema de tierra también funciona como una placa de capacitor , para recibir la corriente de desplazamiento de la antena y devolverla al lado de tierra de la línea de alimentación del transmisor, por lo que preferiblemente se ubica directamente debajo de la antena. En transmisores y receptores de radio de baja potencia, la conexión a tierra puede ser tan simple como una o más varillas o estacas metálicas clavadas en la tierra, o una conexión eléctrica a la tubería metálica de agua de un edificio que se extiende hacia la tierra. [13] Sin embargo, en las antenas de transmisión, el sistema de tierra transporta toda la corriente de salida del transmisor, por lo que la resistencia de un contacto de tierra inadecuado puede suponer una pérdida importante de potencia del transmisor.
Los transmisores de potencia media a alta suelen tener un extenso sistema de tierra que consiste en cables de cobre desnudos enterrados en la tierra debajo de la antena, para reducir la resistencia. [14] Dado que para las antenas omnidireccionales utilizadas en estas bandas las corrientes de la Tierra viajan radialmente hacia el punto de tierra desde todas las direcciones, el sistema de puesta a tierra generalmente consiste en un patrón radial de cables enterrados que se extienden hacia afuera debajo de la antena en todas las direcciones, conectados entre sí a la lado de tierra de la línea de alimentación del transmisor en un terminal al lado de la base de la antena. [15] [16]
La potencia del transmisor perdida en la resistencia del suelo y, por tanto, la eficiencia de la antena, depende de la conductividad del suelo. Esto varía ampliamente; Los terrenos pantanosos o estanques, particularmente de agua salada, proporcionan el terreno de menor resistencia, mientras que los suelos secos, rocosos o arenosos son los más altos. La pérdida de potencia por metro cuadrado en el suelo es proporcional al cuadrado de la densidad de corriente del transmisor que fluye en la tierra. La densidad de corriente y la potencia disipada aumentan cuanto más nos acercamos al terminal de tierra en la base de la antena, [16] por lo que se puede considerar que el sistema de tierra radial proporciona un medio de mayor conductividad, el cobre, para que fluya la corriente de tierra. fluya a través, en las partes del suelo que transportan alta densidad de corriente, para reducir las pérdidas de energía.
Un sistema de tierra estándar ampliamente utilizado para antenas de radiodifusión con radiadores de mástil que funcionan en las bandas MF y LF consta de 120 cables de tierra radiales enterrados equiespaciadamente que se extienden a lo largo de un cuarto de longitud de onda (0,25 , 90 grados eléctricos) desde la antena. [16] [13] [15] [17] Generalmente se utiliza alambre de cobre trefilado de calibre 8 a 10, enterrado a una profundidad de 4 a 10 pulgadas. [16] Para antenas de banda de transmisión AM , esto requiere un área terrestre circular que se extienda desde el mástil de 47 a 136 metros (154 a 446 pies). Por lo general, se planta con césped, que se mantiene corto, ya que el césped alto puede aumentar la pérdida de energía en determinadas circunstancias. Si el área de terreno disponible es demasiado limitada para radiales tan largos, en muchos casos pueden reemplazarse por un mayor número de radiales más cortos o por un número menor de radiales más largos. [14] [15]
En las antenas transmisoras, una segunda causa de desperdicio de energía son las pérdidas de energía dieléctrica del campo eléctrico ( corriente de desplazamiento ) de la antena que atraviesa la tierra para llegar a los cables de tierra. [17] Para antenas cercanas a una longitud de media onda alta (180 grados eléctricos), la antena tiene un voltaje máximo (antinodo ) cerca de su base, lo que resulta en fuertes campos eléctricos en la tierra por encima de los cables de tierra cerca del mástil por donde entra la corriente de desplazamiento. el terreno. Para reducir esta pérdida, estas antenas suelen utilizar una pantalla de tierra de cobre conductora debajo de la antena conectada a los cables de tierra enterrados, ya sea en el suelo o elevados unos pocos pies, para proteger la tierra del campo eléctrico.
En algunos casos en los que el suelo rocoso o arenoso tiene una resistencia demasiado alta para un suelo enterrado, se utiliza un contrapeso . [15] Se trata de una red radial de cables similar a la de un sistema de tierra enterrado, pero que se encuentra en la superficie o suspendido a unos pocos pies del suelo. Actúa como una placa de condensador , acoplando capacitivamente la línea de alimentación a las capas conductoras de la tierra.
A frecuencias más bajas, la resistencia del sistema de tierra es un factor más crítico debido a la pequeña resistencia a la radiación de la antena. En las bandas LF y VLF , las limitaciones de altura de construcción requieren que se utilicen antenas eléctricamente cortas , más cortas que la longitud resonante fundamental de un cuarto de longitud de onda ( ). Un monopolo de cuarto de onda tiene una resistencia a la radiación de alrededor de 25 a 36 ohmios , pero por debajo la resistencia disminuye con el cuadrado de la relación entre la altura y la longitud de onda. La energía alimentada a una antena se divide entre la resistencia a la radiación, que representa la energía emitida como ondas de radio, la función deseada de la antena y la resistencia óhmica del sistema de tierra, que resulta en energía desperdiciada en forma de calor. A medida que la longitud de onda se hace más larga en relación con la altura de la antena, la resistencia a la radiación de la antena disminuye, por lo que la resistencia del suelo constituye una proporción mayor de la resistencia de entrada de la antena y consume más potencia del transmisor. Las antenas en la banda VLF a menudo tienen una resistencia de menos de un ohmio , e incluso con sistemas de tierra de resistencia extremadamente baja, entre el 50 % y el 90 % de la potencia del transmisor puede desperdiciarse en el sistema de tierra. [13]
Los sistemas de protección contra rayos están diseñados para mitigar los efectos de los rayos mediante la conexión a extensos sistemas de puesta a tierra que proporcionan una gran superficie de conexión a tierra. Se requiere una gran área para disipar la alta corriente de un rayo sin dañar los conductores del sistema por exceso de calor. Dado que los rayos son pulsos de energía con componentes de muy alta frecuencia, los sistemas de puesta a tierra para protección contra rayos tienden a utilizar tramos cortos y rectos de conductores para reducir la autoinductancia y el efecto piel .
En una subestación eléctrica, una estera de tierra es una malla de material conductor instalada en lugares donde una persona estaría para operar un interruptor u otro aparato; está adherido a la estructura metálica de soporte local y a la manija del tablero, de modo que el operador no estará expuesto a un alto voltaje diferencial debido a una falla en la subestación.
En las proximidades de dispositivos sensibles a la electrostática, se utiliza una estera de conexión a tierra o una estera de conexión a tierra para conectar a tierra la electricidad estática generada por personas y equipos en movimiento. [18] Hay dos tipos utilizados en el control de estática: tapetes disipadores de estática y tapetes conductivos.
Una alfombra disipadora de estática que descansa sobre una superficie conductora (comúnmente el caso en instalaciones militares) generalmente está hecha de 3 capas (3 capas) con capas de vinilo disipadora de estática que rodean un sustrato conductor que está conectado eléctricamente a tierra. Para usos comerciales, se utilizan tradicionalmente tapetes de caucho disipadores de estática que están hechos de 2 capas (2 capas) con una capa disipadora de estática superior resistente a la soldadura que los hace durar más que los tapetes de vinilo y una parte inferior de caucho conductivo . Las esteras conductoras están hechas de carbono y se usan únicamente en pisos con el fin de llevar la electricidad estática a tierra lo más rápido posible. Normalmente las esteras conductoras están hechas con un acolchado para estar de pie y se denominan esteras "antifatiga".
Para que una alfombra disipadora de estática esté conectada a tierra de manera confiable, debe estar conectada a un camino a tierra. Normalmente, tanto el tapete como la muñequera están conectados a tierra mediante un sistema de punto común a tierra (CPGS). [19]
En los talleres de reparación de computadoras y fabricación de productos electrónicos, los trabajadores deben estar conectados a tierra antes de trabajar en dispositivos sensibles a voltajes que pueden ser generados por humanos. Por esa razón, las alfombras disipadoras de estática pueden usarse, y también se usan, en pisos de ensamblaje de producción como "corredor de piso" a lo largo de la línea de ensamblaje para absorber la estática generada por las personas que caminan hacia arriba y hacia abajo.
El aislamiento es un mecanismo que anula la conexión a tierra. Se utiliza con frecuencia con dispositivos de consumo de baja potencia y cuando ingenieros, aficionados o reparadores trabajan en circuitos que normalmente funcionarían utilizando el voltaje de la línea eléctrica. El aislamiento se puede lograr simplemente colocando un transformador de "relación de cable 1:1" con el mismo número de vueltas entre el dispositivo y el servicio de energía regular, pero se aplica a cualquier tipo de transformador que utilice dos o más bobinas aisladas eléctricamente entre sí.
Para un dispositivo aislado, tocar un solo conductor energizado no causa una descarga severa, porque no hay un camino de regreso al otro conductor a través de tierra. Sin embargo, aún pueden producirse descargas eléctricas y electrocución si ambos polos del transformador entran en contacto con la piel desnuda. Anteriormente se sugirió que los reparadores "trabajaran con una mano detrás de la espalda" para evitar tocar dos partes del dispositivo bajo prueba al mismo tiempo, evitando así que una corriente atraviese el pecho e interrumpa los ritmos cardíacos o provoque un paro cardíaco . [20]
Generalmente, cada transformador de línea de alimentación de CA actúa como un transformador de aislamiento, y cada paso hacia arriba o hacia abajo tiene el potencial de formar un circuito aislado. Sin embargo, este aislamiento evitaría que los dispositivos defectuosos fundieran los fusibles cuando hicieran un cortocircuito con su conductor de tierra. El aislamiento que podría crear cada transformador se anula teniendo siempre un tramo de los transformadores conectado a tierra, en ambos lados de las bobinas del transformador de entrada y salida. Las líneas eléctricas también suelen conectar a tierra un cable específico en cada polo, para garantizar la ecualización de la corriente de un polo a otro si se produce un cortocircuito a tierra.
En el pasado, los aparatos conectados a tierra se diseñaban con aislamiento interno hasta un grado que permitía la simple desconexión de tierra mediante enchufes tramposos sin problema aparente (una práctica peligrosa, ya que la seguridad del equipo flotante resultante depende del aislamiento en su transformador de potencia). . Sin embargo, los aparatos modernos suelen incluir módulos de entrada de alimentación diseñados con un acoplamiento capacitivo deliberado entre las líneas de alimentación de CA y el chasis, para suprimir las interferencias electromagnéticas. Esto da como resultado una corriente de fuga significativa desde las líneas eléctricas a tierra. Si la conexión a tierra se desconecta mediante un enchufe tramposo o por accidente, la corriente de fuga resultante puede provocar descargas leves, incluso sin ningún fallo en el equipo. [21] Incluso las pequeñas corrientes de fuga son una preocupación importante en entornos médicos, ya que la desconexión accidental de la tierra puede introducir estas corrientes en partes sensibles del cuerpo humano. Como resultado, las fuentes de alimentación médicas están diseñadas para tener una capacitancia baja. [22]
Los electrodomésticos y fuentes de alimentación de Clase II (como cargadores de teléfonos móviles) no proporcionan ninguna conexión a tierra y están diseñados para aislar la salida de la entrada. La seguridad está garantizada por el doble aislamiento, de modo que se necesitan dos fallos de aislamiento para provocar una descarga eléctrica.
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