Tierra y neutro

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En ingeniería eléctrica , los conductores de tierra y neutro son conductores de circuito que se utilizan en sistemas eléctricos de corriente alterna (CA). El conductor neutro recibe y devuelve corriente alterna a la fuente de alimentación durante el funcionamiento normal del circuito; para limitar los efectos de la corriente de fuga de los sistemas de mayor voltaje, el conductor neutro suele estar conectado a tierra en el punto de suministro. Por el contrario, un conductor de tierra no está destinado a transportar corriente para el funcionamiento normal, sino que conecta los componentes metálicos expuestos (como los gabinetes de los equipos o los conductos que encierran el cableado) a tierra. Un conductor de tierra solo transporta una corriente significativa si hay una falla en el circuito que, de lo contrario, energizaría las partes conductoras expuestas y presentaría un peligro de descarga eléctrica. En ese caso, los dispositivos de protección del circuito pueden detectar una falla en un gabinete metálico conectado a tierra y desenergizar automáticamente el circuito, o pueden proporcionar una advertencia de una falla a tierra.

En determinadas condiciones, un conductor utilizado para conectar a un neutro del sistema también se utiliza para la conexión a tierra de equipos y estructuras. La corriente transportada por un conductor de conexión a tierra puede provocar la aparición de voltajes inaceptables o peligrosos en los gabinetes de los equipos , por lo que la instalación de conductores de conexión a tierra y conductores neutros se define cuidadosamente en las regulaciones eléctricas . Cuando se utiliza un conductor neutro también para conectar gabinetes de equipos a tierra, se debe tener cuidado de que el conductor neutro nunca alcance un voltaje alto con respecto a la tierra local.

La conexión a tierra o tierra en un sistema de cableado eléctrico de red ( corriente alterna ) es un conductor que proporciona una ruta de baja impedancia a la tierra para evitar que aparezcan voltajes peligrosos en el equipo (picos de alto voltaje). ^{[ cita requerida ]} Los términos tierra y tierra se utilizan como sinónimos en esta sección; tierra es más común en inglés norteamericano y tierra es más común en inglés británico. En condiciones normales, un conductor de conexión a tierra no transporta corriente. La conexión a tierra también es una ruta integral para el cableado doméstico porque hace que los disyuntores se disparen más rápidamente (es decir, GFCI ), lo que es más seguro. Agregar nuevas conexiones a tierra requiere un electricista calificado con conocimientos específicos de una región de distribución de energía.

El neutro es un conductor de circuito que normalmente completa el circuito de regreso a la fuente. El NEC establece que los cables neutro y de tierra deben conectarse en el punto neutro del transformador o generador, o en algún "punto neutro del sistema", pero en ningún otro lugar. ^[1] Esto es para instalaciones simples de un solo panel; para paneles múltiples, la situación es más compleja. En un sistema de CA polifásico (generalmente trifásico ) , el conductor neutro está destinado a tener voltajes similares a cada uno de los otros conductores del circuito, pero puede transportar muy poca corriente si las fases están equilibradas.

Todos los cables neutros de un mismo sistema eléctrico conectado a tierra deben tener el mismo potencial eléctrico, ya que todos están conectados a través de la tierra del sistema. Los conductores neutros suelen estar aislados para el mismo voltaje que los conductores de línea, con interesantes excepciones. ^[2]

Los cables neutros suelen estar conectados a una barra neutra dentro de los tableros de distribución o los cuadros eléctricos, y están "conectados" a tierra en la entrada del servicio eléctrico o en los transformadores dentro del sistema. Para las instalaciones eléctricas con servicio de fase dividida (monofásico de tres cables), el punto neutro del sistema está en la toma central del lado secundario del transformador de servicio. Para instalaciones eléctricas más grandes, como aquellas con servicio polifásico , el punto neutro suele estar en la conexión común del lado secundario de los transformadores conectados en delta/estrella . Otras disposiciones de transformadores polifásicos pueden dar como resultado que no haya punto neutro ni conductores neutros.

La norma IEC ( IEC 60364 ) codifica los métodos de instalación de conductores neutros y de tierra en un edificio, donde estos sistemas de puesta a tierra se designan con símbolos de letras. Los símbolos de letras son comunes en los países que utilizan las normas IEC, pero las prácticas norteamericanas rara vez hacen referencia a los símbolos IEC. Las diferencias son que los conductores pueden estar separados en todo su recorrido desde el equipo hasta la tierra física, o pueden estar combinados en toda su longitud o en parte. Se utilizan diferentes sistemas para minimizar la diferencia de voltaje entre el neutro y la tierra física local. La corriente que fluye en un conductor de puesta a tierra producirá una caída de voltaje a lo largo del conductor, y los sistemas de puesta a tierra buscan garantizar que este voltaje no alcance niveles inseguros.

En el sistema TN-S, se instalan conductores de tierra de protección y neutro separados entre el equipo y la fuente de suministro (generador o transformador de la red eléctrica). Las corrientes normales del circuito fluyen solo por el neutro, y el conductor de tierra de protección conecta a tierra todas las carcasas del equipo para interceptar cualquier corriente de fuga debida a una falla del aislamiento. El conductor neutro está conectado a tierra en el punto de suministro del edificio, pero no existe una ruta común a tierra para la corriente del circuito y el conductor de protección.

En el sistema TN-C, un conductor común proporciona tanto la conexión a tierra neutra como la de protección. El conductor neutro está conectado a tierra en el punto de suministro y las cajas de los equipos están conectadas al neutro. Existe el peligro de que una conexión neutra rota permita que todas las cajas de los equipos alcancen un voltaje peligroso si existe alguna fuga o falla de aislamiento en algún equipo. Esto se puede mitigar con cables especiales, pero el costo es mayor.

En el sistema TN-CS, cada equipo eléctrico tiene una conexión a tierra de protección en su carcasa y una conexión neutra. Todas estas conexiones se llevan a un punto común en el sistema del edificio y, a continuación, se realiza una conexión común desde ese punto a la fuente de alimentación y a tierra.

En un sistema TT, no se utiliza un conductor de tierra de protección común y extenso, sino que cada equipo eléctrico (o sistema de distribución del edificio) tiene su propia conexión a tierra.

La regla 41 del CEAR de la India establece las siguientes disposiciones:

• El conductor neutro de un sistema trifásico de 4 cables y el conductor intermedio de un sistema bifásico de 3 cables deben tener al menos 2 conexiones a tierra separadas y distintas con un mínimo de 2 electrodos de tierra diferentes para tener una resistencia de tierra satisfactoria.
• Los electrodos de tierra deben estar interconectados para reducir la resistencia de tierra.
• El conductor neutro también deberá estar conectado a tierra en uno o más puntos a lo largo del sistema de distribución o línea de servicio, además de cualquier conexión en el extremo del usuario.

Las tensiones parásitas creadas en los conductores de puesta a tierra por las corrientes que fluyen por los conductores neutros de la red de suministro pueden ser problemáticas. Por ejemplo, pueden ser necesarias medidas especiales en los establos utilizados para ordeñar vacas lecheras. Las tensiones muy pequeñas, que normalmente no son perceptibles para los seres humanos, pueden provocar una baja producción de leche o incluso mastitis (inflamación de la ubre). ^[3] Es posible que se requieran los denominados "filtros de tensión de hormigueo" en el sistema de distribución eléctrica de una sala de ordeño.

Conectar el neutro a la caja del equipo proporciona cierta protección contra fallas, pero puede producir un voltaje peligroso en la caja si se rompe la conexión neutra.

Los conductores combinados de neutro y tierra se utilizan habitualmente en el cableado de las empresas de suministro eléctrico y, ocasionalmente, en el cableado fijo de edificios y en algunas aplicaciones especializadas en las que hay pocas alternativas, como los ferrocarriles y los tranvías . Dado que las corrientes normales del circuito en el conductor neutro pueden provocar diferencias objetables o peligrosas entre el potencial de tierra local y el neutro, y para protegerse contra roturas del neutro, se deben considerar precauciones especiales, como la conexión frecuente a tierra con varillas (varias conexiones de varillas de tierra), el uso de cables en los que la combinación de neutro y tierra rodee por completo el conductor o conductores de fase y una conexión equipotencial más gruesa de lo normal para garantizar la seguridad del sistema.

En los Estados Unidos, las carcasas de algunas cocinas (cocinas, hornos), encimeras , secadoras de ropa y otros electrodomésticos específicamente incluidos en la lista se conectaban a tierra a través de sus cables neutros como medida para conservar el cobre de los cables de cobre durante la Segunda Guerra Mundial . Esta práctica se eliminó del NEC en la edición de 1996, pero las instalaciones existentes (denominadas "trabajos antiguos") aún pueden permitir que las carcasas de dichos electrodomésticos incluidos en la lista se conecten al conductor neutro para la conexión a tierra. (Canadá no adoptó este sistema y, en su lugar, durante esta época y en la actualidad utiliza cables neutros y de tierra separados).

Esta práctica surgió del sistema de tres cables que se utilizaba para suministrar cargas de 120 y 240 voltios. Debido a que estos aparatos enumerados suelen tener componentes que utilizan 120 voltios, o ambos, suele haber algo de corriente en el cable neutro. Esto difiere del cable de puesta a tierra de protección, que solo transporta corriente en condiciones de falla. Se consideró que el uso del conductor neutro para conectar a tierra el gabinete del equipo era seguro, ya que los dispositivos estaban conectados permanentemente a la fuente de alimentación y, por lo tanto, era poco probable que se rompiera el neutro sin romper también ambos conductores de alimentación. Además, la corriente desequilibrada debido a las lámparas y los motores pequeños en los aparatos era pequeña en comparación con la capacidad nominal de los conductores y, por lo tanto, era poco probable que causara una gran caída de voltaje en el conductor neutro.

En la práctica norteamericana y europea, se permite que los equipos portátiles pequeños conectados mediante un conjunto de cables tengan, en determinadas condiciones, solo dos conductores en el enchufe de conexión. Se puede utilizar un enchufe polarizado para mantener la identidad del conductor neutro en el aparato, pero el neutro nunca se utiliza como conexión a tierra del chasis o la carcasa. Los cables pequeños de las lámparas, etc., suelen tener una o más crestas moldeadas o cordones incrustados para identificar el conductor neutro, o pueden identificarse por color. Los aparatos portátiles nunca utilizan el conductor neutro para la conexión a tierra de la carcasa y, a menudo, presentan una construcción de " doble aislamiento ".

En lugares donde el diseño del enchufe y la toma no puede garantizar que un conductor neutro del sistema esté conectado a terminales particulares del dispositivo (enchufes "no polarizados"), los aparatos portátiles deben diseñarse asumiendo que cualquiera de los polos de cada circuito puede alcanzar el voltaje principal completo con respecto a tierra.

En la práctica de América del Norte, los equipos conectados mediante un juego de cables deben tener tres cables si se alimentan exclusivamente con 240 voltios, o deben tener cuatro cables (incluidos neutro y tierra), si se alimentan con 120/240 voltios.

Existen disposiciones especiales en el NEC para los denominados equipos técnicos, principalmente equipos de audio y vídeo de calidad profesional alimentados por los denominados circuitos "balanceados" de 120 voltios. La toma central de un transformador está conectada a tierra y el equipo se alimenta mediante dos cables de línea, cada uno de 60 voltios a tierra (y 120 voltios entre conductores de línea). La toma central no se distribuye al equipo y no se utiliza ningún conductor neutro. En estos casos, generalmente se utiliza un conductor de conexión a tierra que está separado del conductor de conexión a tierra de seguridad específicamente para fines de reducción de ruido y "zumbido".

Otro sistema de distribución especializado se especificó anteriormente en las áreas de atención al paciente de los hospitales. Se proporcionó un sistema de energía aislado, a partir de un transformador de aislamiento especial, con la intención de minimizar cualquier corriente de fuga que pudiera pasar a través del equipo conectado directamente a un paciente (por ejemplo, un electrocardiógrafo para monitorear el corazón). El neutro del circuito no estaba conectado a tierra. La corriente de fuga se debía a la capacitancia distribuida del cableado y la capacitancia del transformador de suministro. ^[4] Estos sistemas de distribución se monitoreaban mediante instrumentos instalados permanentemente para dar una alarma cuando se detectaba una corriente de fuga alta.

Un neutro compartido es una conexión en la que varios circuitos utilizan la misma conexión neutra. Esto también se conoce como neutro común y, a veces, a los circuitos y al neutro juntos se los denomina circuito Edison .

En un circuito trifásico, las tres fases comparten un neutro. Normalmente, el neutro del sistema se conecta al punto de estrella del transformador de alimentación. Esta es la razón por la que el lado secundario de la mayoría de los transformadores de distribución trifásicos está devanado en estrella o en Y. Los transformadores trifásicos y sus neutros asociados se encuentran generalmente en entornos de distribución industrial.

Un sistema podría quedar completamente desconectado de la toma de tierra. En este caso, una falla entre una fase y la toma de tierra no provocaría ninguna corriente significativa. Normalmente, el neutro se conecta a tierra a través de una conexión entre la barra neutra y la barra de tierra. En los sistemas más grandes, es habitual controlar cualquier corriente que fluya a través del enlace neutro-tierra y utilizar esto como base para la protección contra fallas en el neutro.

La conexión entre neutro y tierra permite que cualquier falla de fase a tierra genere suficiente flujo de corriente para "activar" el dispositivo de protección contra sobrecorriente del circuito. En algunas jurisdicciones, se requieren cálculos para garantizar que la impedancia del bucle de falla sea lo suficientemente baja como para que la corriente de falla active la protección (en Australia, esto se menciona en la norma AS3000:2007 Cálculo de impedancia de bucle de falla). Esto puede limitar la longitud de un circuito derivado.

En el caso de dos fases que comparten un neutro y la tercera fase está desconectada, el consumo de corriente en el peor de los casos es cuando un lado tiene carga cero y el otro tiene carga completa, o cuando ambos lados tienen carga completa. El último caso da como resultado , o donde es la magnitud de la corriente. En otras palabras, la magnitud de la corriente en el neutro es igual a la de los otros dos cables.${\displaystyle I_{\mathrm {m} }\angle {0}^{\circ }+I_{\mathrm {m} }\angle {-120}^{\circ }=I_{\mathrm {m} } \angle {-60}^{\circ }}$${\displaystyle I_{\mathrm {m} }\angle {0}^{\circ }+I_{\mathrm {m} }\angle {120}^{\circ }=I_{\mathrm {m} }\ ángulo {60}^{\circ }}$${\displaystyle I_{\mathrm {m} }\angle {120}^{\circ }+I_{\mathrm {m} }\angle {-120}^{\circ }=I_{\mathrm {m} } \angle {180}^{\circ }}$${\displaystyle I_{\mathrm {m} }}$

En un circuito lineal trifásico con tres cargas resistivas o reactivas idénticas, el neutro no transporta corriente. El neutro transporta corriente si las cargas en cada fase no son idénticas. En algunas jurisdicciones, se permite reducir el tamaño del neutro si no se espera un flujo de corriente desequilibrado. Si el neutro es más pequeño que los conductores de fase, puede sobrecargarse si se produce una carga desequilibrada importante.

La corriente que consumen las cargas no lineales, como la iluminación fluorescente y HID y los equipos electrónicos que contienen fuentes de alimentación conmutadas, a menudo contiene armónicos . Las corrientes armónicas triples (múltiplos impares del tercer armónico) son aditivas, lo que da como resultado más corriente en el conductor neutro compartido que en cualquiera de los conductores de fase. En el peor de los casos, la corriente en el conductor neutro compartido puede ser el triple de la de cada conductor de fase. Algunas jurisdicciones prohíben el uso de conductores neutros compartidos cuando se alimentan cargas monofásicas desde una fuente trifásica; otras requieren que el conductor neutro sea sustancialmente más grande que los conductores de fase. Es una buena práctica utilizar disyuntores de cuatro polos (a diferencia de los tres polos estándar) donde el cuarto polo es la fase neutra y, por lo tanto, está protegido contra la sobrecorriente en el conductor neutro.

En el cableado de fase dividida, por ejemplo, un receptáculo dúplex en una cocina norteamericana, los dispositivos pueden conectarse con un cable que tiene tres conductores, además de tierra. Los tres conductores suelen ser de color rojo, negro y blanco. El blanco sirve como neutro común, mientras que el rojo y el negro alimentan, cada uno por separado, los lados calientes superior e inferior del receptáculo. Por lo general, estos receptáculos se alimentan de dos disyuntores en los que las manijas de dos polos están unidas para un disparo común. Si se utilizan dos electrodomésticos grandes a la vez, la corriente pasa a través de ambos y el neutro solo transporta la diferencia de corriente. La ventaja es que solo se requieren tres cables para dar servicio a estas cargas, en lugar de cuatro. Si un electrodoméstico de cocina sobrecarga el circuito, el otro lado del receptáculo dúplex también se apagará. Esto se llama circuito derivado de múltiples cables . Se requiere un disparo común cuando la carga conectada usa más de una fase simultáneamente. El disparo común evita la sobrecarga del neutro compartido si un dispositivo consume más de la corriente nominal.

Una conexión a tierra que no esté presente o que no tenga la capacidad adecuada puede no proporcionar las funciones de protección previstas durante una falla en el equipo conectado. Las conexiones adicionales entre la conexión a tierra y el neutro del circuito pueden generar corriente circulante en la ruta de tierra, corriente parásita introducida en la tierra o en una estructura y voltaje parásito . ^{[ cita requerida ]} Las conexiones a tierra adicionales en un conductor neutro pueden pasar por alto la protección proporcionada por un interruptor de circuito por falla a tierra. Los circuitos de señal que dependen de una conexión a tierra no funcionarán o tendrán un funcionamiento errático si falta la conexión a tierra.

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• Rick Gilmour et al. , editor, Código Eléctrico Canadiense Parte I, Decimonovena Edición, C22.1-02 Norma de seguridad para instalaciones eléctricas , Asociación Canadiense de Normas, Toronto, Ontario, Canadá (2002) ISBN 1-55324-690-X 
• NFPA 70, Código Eléctrico Nacional 2002 , Asociación Nacional de Protección contra Incendios, Inc., Quincy, Massachusetts, EE. UU., (2002). sin ISBN
• Reglamento de cableado del IEE Reglamento para instalaciones eléctricas, decimoquinta edición, 1981 , The Institution of Electrical Engineers, (1981) Hitchin, Herts. Reino Unido
• Capítulo sobre seguridad eléctrica del libro y serie Lecciones de circuitos eléctricos, vol. 1, CC.
• LOS CIRCUITOS EDISON REPRESENTAN UN PELIGRO PARA LA SEGURIDAD
• La guía completa para el cableado doméstico (enlace inactivo, pero con múltiples fuentes a través de la búsqueda de Google)
• Cableado doméstico avanzado