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domingo, 26 de julio de 2015

Funcionamiento conjunto de puesta a tierra e interruptor diferencial

Consideremos el transformador trifásico con el secundario en estrella, como se muestra en la Fig.1. El neutro del transformador está puesto a tierra por la Distribuidora de electricidad. Los usuarios monofásicos reciben en sus domicilios línea y neutro, con 220V entre ambos cables.

Fig.1 – Secundario del transformador de la Distribuidora de electricidad
Ahora supongamos que uno de los usuarios monofásicos tuvo un problema: por una falla en su heladera, el gabinete de ella ha quedado internamente conectada a 220V en forma directa. El hombre, que no es adivino, no se enteró, porque no tiene ninguna protección en su instalación más que la puesta a tierra, con un valor de resistencia a tierra bien bajo. No tiene interruptor diferencial, ni interruptor termo magnético, ni fusible, ni nada en absoluto, salvo la puesta a tierra. Entonces se acercó a su heladera y se apoyó sobre ella. Esta situación la podemos esquematizar como se indica en la Fig.2, donde hemos incorporado todos los elementos que intervienen sin ningún tipo de simplificación.

Fig.2 – Incidente eléctrico. La puesta a tierra de la instalación, Rt, es la única protección incluída.
Aplicando la ley de Ohm en la Fig.2, tenemos:

220V=  I Rn+ I {[Rt (Rc+Rct)] / [ Rt +( Rc+Rct)]}

Despejando la corriente:

                           220
I = --------------------------------------------------------
         Rn+ { [ Rt .( Rc+Rct)] / [ Rt +( Rc+Rct)] }

La tensión aplicada al cuerpo humano será:

               220 { [ Rt .( Rc+Rct)] / [ Rt +( Rc+Rct)] }
Vc = --------------------------------------------------------------------      (1)
               Rn+ { [ Rt .( Rc+Rct)] / [ Rt +( Rc+Rct)] }

La corriente que circulará por el cuerpo humano, será:
                                          
                                           
                            220 { [ Rt .( Rc+Rct)] / [ Rt +( Rc+Rct)] }              1
I c = Vc / Rc = --------------------------------------------------------- x ----------     (2)
                              Rn+ { [ Rt .( Rc+Rct)] / [ Rt +( Rc+Rct)] }         Rc
               
Vamos a ponerles valores a los distintos componentes del circuito para calcular la tensión con la (1) y la corriente con la (2) sobre el cuerpo humano, suponiendo que no tenemos instalado el interruptor diferencial, ni la llave térmomagnética, ni fusibles. La única protección es la puesta a tierra:

Rn = 1Ω
Rt  = 5 Ω
Rc = 1.000 Ω
Rct = 100 Ω

Obtenemos:             
Vc = 183 V        
I c = 183 mA
          
Veamos ahora en la Tabla siguiente el efecto de esta corriente circulando por el cuerpo humano:

Tetanización: movimiento incontrolado de los músculos debido a la acción de la corriente eléctrica, con pérdida de control generalmente de brazos y piernas. - Asfixia: si el centro nervioso que regula la respiración se ve afectado por la corriente, puede llegar a producirse un paro respiratorio. - Quemaduras: el pasaje de la corriente por el cuerpo humando es acompañado de disipación de calor por efecto joule, produciendo quemaduras internas y externas. - Fibrilación ventricular: en cardiología se denomina “fibrilación” a una sucesión de contracciones rápidas y desordenadas de las fibras del miocardio, cuando la fibrilación afecta a los ventrículos es rápidamente mortal. En la mayoría de los accidentes eléctricos fatales, la muerte del afectado se produce por esta causa. La fibrilación ventricular se desencadena cuando una corriente de amplitud suficiente excita las fibras de los ventrículos durante la fracción del ciclo cardíaco en la que se produce la relajación del miocardio. Este período de relajación se denomina “período vulnerable” y abarca una fracción relativamente pequeña del ciclo cardíaco (entre un 10 y 20%). - Otros efectos: efectos fisiológicos tales como las contracciones musculares, dificultades de respiración, incremento en la presión arterial, perturbaciones en la formación y propagación de los impulsos en el corazón, incluida la fibrilación auricular y paros cardíacos temporales. Estos efectos usualmente no son mortales y son reversibles.

Es evidente que en las condiciones supuestas, con una buena puesta a tierra como única protección, la persona de la Fig. 2 no la va a pasar muy bien, sobre todo si su estado físico no es muy bueno.
Ud puede aplicar las ecuaciones (1) y (2) para diferentes valores de los parámetros en juego y analizar el resultado sobre el cuerpo humano.
Por ejemplo, si la puesta a tierra de la instalación no existiera:

I c = 220V / (Rc + Rct +Rn) = 220/ (1000+100+1) = 200mA
Vc = 200V

Vemos que la situación para la persona de la Fig.2 empeora.

Le advierto que en las distintas tablas va a encontrar ligeras diferencias en las consecuencias de la corriente sobre el cuerpo humano, ya que es de suponer que ninguno de los autores de ellas ha matado personas para confeccionarlas. No obstante hay coincidencia en los aspectos fundamentales.
Entonces hay que agregar un interruptor diferencial para que, actuando en conjunto con la puesta a tierra, corte el suministro de tensión a la entrada de la instalación monofásica y nos salve la vida de las personas. Como veremos enseguida, hacen falta ambas cosas.
Veamos ahora una animación, para entender como funciona un interruptor diferencial. En la Argentina, al interruptor diferencial le suelen llamar “disyuntor” y en EEUU “Ground-Fault Circuit Interrupters” (GFCI).

Fig.3 – Animación que muestra el principio de funcionamiento de un interruptor diferencial
Cuando la corriente de entrada a la instalación es igual a la corriente de salida, los flujos magnéticos que ellas producen sobre el toroide son iguales y de sentido contrario. Por lo tanto el flujo resultante es nulo dentro de la bobina de detección y la tensión inducida en ella es cero, no accionándose el electroimán y permaneciendo cerrados los contactos del dispositivo.
Cuando se produce una conexión a tierra de la carga, las corrientes de entrada y salida del dispositivo dejan de ser iguales, aparece un flujo resultante en el toroide y se acciona el electroimán, abriendo los contactos y dejando a la instalación sin suministro de energía eléctrica.
Se recomienda usar interruptores diferenciales que corten cuando la diferencia entre las corrientes de entrada y salida sea de 30 mA, que lo hagan a los 200 mseg y que dispongan de botón de prueba.
¿Qué ocurriría si tuviéramos instalado el protector diferencial  y no existiera puesta  a tierra en la instalacíon?
Lo que ocurriría es que al quedar conectada la heladera a 220V, el protector diferencial no actuaría desconectando el suministro, hasta que el hombre de la Fig.2 la toque y la conecte a tierra, recibiendo  en su cuerpo los 30mA  durante 200 mseg, que necesita el interruptor para actuar. En efecto, el interruptor diferencial para actuar necesita que las corrientes de entrada y salida sean diferentes y para que esto ocurra, debe existir una pérdida de corriente a tierra en la instalación. Si no existe la puesta a tierra, la heladera va a quedar aislada de tierra y no se va a conectar a ella hasta que el hombre de la Fig.2 la toque y la conecte a tierra a través de su cuerpo. Esta “patada” que va a recibir, de 30 mA, no lo va a matar, por lo general, si está en buen estado físico, pero seguramente no va a experimentar un placer al recibirla y según la tabla, tampoco va a resultar muy favorable.
Si la instalación tiene puesta a tierra, aunque su valor en ohms no sea muy bajo, va a hacer que el interruptor diferencial actúe antes de que el hombre toque la heladera, cortando la energía eléctrica de la instalación.
Conclusión: Las instalaciones eléctricas deben contar con puesta a tierra e interruptor diferencial, ya que ambos se complementan.
Aquellos que dicen que teniendo instalado el protector diferencial, no es necesaria la instalación de tierra, tienen razón, pero hay que avisarles que para que ella actúe van a tener que actuar ellos como tierra y hasta que no lo hagan, van a tener la puerta de su heladera con 220V. Si están dispuestos a recibir una “patada”, no tendrán problemas. No obstante, hay que recomendarles que miren las tablas de los efectos de la corriente eléctrica sobre el cuerpo de las personas.
Los parámetros principales que hay que tener en cuenta para seleccionar un interruptor diferencial son:
Corriente nominal: llamada In por las normas IEC.
Tensión nominal: Vn
Sensibilidad: llamada IΔn por las Normas IEC. Es la diferencia en el valor de las corrientes de entrada y salida en que actuará el dispositivo.
Valor mínimo de la diferencia de corrientes de entrada y salida de no actuación: debe ser 0,5 IΔn, según lo admitido por las normas. O sea que si elegimos una sensibilidad de 30mA, el valor de corte podrá actuar entre 15 y 30mA.
Tiempo de actuación: normalmente viene indicado con una curva que da el tiempo de actuación en función de la relación entre la corriente de fuga del defecto Id y la sensibilidad IΔn (Id/ IΔn).

Los interruptores diferenciales tienen como misión cortar el suministro ante una pérdida a tierra en la carga y no actuar ante un cortocircuito entre fase y  neutro, de modo que siempre deberán ir acompañadas por un interruptor termomagnético, que cumpla la función de corte en ese caso y que proteja al interruptor diferencial.

Los interruptores diferenciales no protegen a quien tome con una mano un cable de fase y con la otra un cable de neutro.

Referencias:

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