Aislamiento en la línea eléctrica

Muchas veces el mal uso o desconocimiento del funcionamiento de los equipos eléctricos o electrónicos puede generar descargas peligrosas para los usuarios de dichos equipos.

En este artículo explicaré la problemática desde un punto de vista práctico, tomando como referencia un equipo que usa un transformador de alimentación y que se encuentra conectado una línea domiciliaria monofásica de baja tensión de 220VAC.

Introducción

¿Por qué al tocar la parte metálica de un equipo conectado a la línea de 110/220VAC, se siente una punzada en la piel?

Muchos responden a la pregunta con un simple: «Porque no tienes conexión a tierra», pero, aunque la conexión a tierra puede ayudar a mitigar el problema, la verdad es que no se trata de una causa sino más bien de una solución.

El verdadero motivo tiene que ver con el flujo de la electricidad entre el cuerpo y los conductores eléctricos y para entenderlo, hay que hacer un análisis completo de la corriente eléctrica

Conexión externa de la línea eléctrica

Aunque en la mayoría de ocasiones no importa mucho como viene conectada la línea eléctrica de 220VAC; es importante para cuando se quiere diseñar con consideraciones de aislamiento alto.

Para entender mejor este análisis empezamos clasificando los casos de conexión de las líneas eléctricas domiciliarias de 220VAC. Esta descripción se ha realizado como producto de ensayos en diversas líneas en Perú (por el año 2000) y también consultando bibliografía relacionada. En otros países se podrían encontrar casos similares o algo diferentes de acuerdo a sus legislaciones en el Campo Eléctrico.

La primera consideración que hay que tener en las líneas eléctricas es que siempre tienen referencias a tierra. Esta es una medida, principalmente, de seguridad.

CASO 1: El primer caso de conexión, el más común, corresponde al de una línea monofásica de dos hilos con un hilo conectado a tierra, como la que se muestra en la siguiente figura:

Esta línea puede provenir de una conexión trifásica de la cual solo se toma una de las fases.

En este caso, cuando se tiene una línea a tierra, se habla de la línea «viva» para denotar a la que no está conectado a tierra, es decir, la que tiene 220VAC con respecto a tierra o a la otra línea. Los electricistas de estas zonas están bastante ambientados a este tipo de conexión y, como saben por experiencia, se puede tocar sin cuidado la línea neutra o «muerta», ya que su potencial es de solo algunos voltios [0. La conexión a tierra no es siempre tan eficiente como debería esperarse, así que siempre queda algún remanente de tensión. Como siempre, depende de la zona.]. Sin embargo, la línea «viva» es muy peligrosa. Así que se debe tener mucho cuidado cuando se trabaja con este tipo de conexión.

CASO 2: Este caso correspondería al de una línea bifásica sin línea de tierra, es decir, con solo dos hilos.

Esta conexión se puede obtener, por comodidad, a partir de una línea trifásica con 220VAC por fase, en donde al abonado solo le llegan 2 líneas. Para fines prácticos, para el abonado, corresponde a una simple línea monofásica, porque se carece de la conexión a tierra [0. Se podría pensar que bastaría usar un simple pozo de tierra para restaurar la tierra faltante de la línea bifásica, pero en la práctica la tierra restaurada no ofrece un resistencia tan baja como para ser aprovechable, amén de las corrientes parásitas y ruidos que pueden ingresar por la conexión a tierra. ].

Si, en efecto, la línea de 220 se toma de una fase de una conexión trifásica, se deduce que la líneas mantienen un desfase de 120º con respecto a tierra. De allí se explica cómo se pueden sumar dos fuentes de 127VAC para obtener 220VAC.

Aquí, la referencia a tierra  se encuentra justo en el punto medio. Así que si se toca, accidentalmente, cualquiera de los hilos de la línea; se corre el riesgo de recibir hasta 127V de alterna, lo que significa un riesgo menor de choque eléctrico que si se recibiera los 220V de alterna.

CASO 3: Otro caso, poco común pero que podría darse sería el que la tierra corresponda a una toma central de dos fuentes de 110VAC en fase.

Para nuestros fines, este caso lo consideraré similar al CASO 2, por la similitud en su configuración y sus efectos.

Un modelo más completo de la línea eléctrica debe considerar también la fase de los 220V con respecto a tierra.

Modelo de la línea eléctrica con transformador

Una vez revisada la conexión externa (desde la subcentral eléctrica o sistema de distribución) analizaremos el caso en que tenemos un transformador reductor conectado a la línea eléctrica y hallaremos un modelo que represente al conjunto «Línea eléctrica – Transformador».

Se estudia el caso del transformador reductor porque resulta ser el caso más común en las fuentes de alimentación de los equipos electrónicos. El caso de los equipos sin transformador en la fuente, se debe estudiar de manera especial.

Los transformadores tienen una característica llamada Acoplamiento Capacitivo, que ya expliqué en otro artículo.

Si revisamos cómo se produce el acoplamiento capacitivo en un transformador, podemos intuir un modelo equivalente.

A partir de los casos vistos en la sección anterior, podemos deducir un modelo eléctrico único que represente a los 3 casos de línea eléctrica, cuando se encuentran unidas a un transformador. Este modelo sería equivalente al mostrado en la siguiente figura:

La equivalencia se hace más notoria para el CASO 1, de los tipos de conexiones vistos en la sección anterior. Para los otros casos, se pueden encontrar equivalencias con menos voltaje, pero para fines de seguridad, nos conviene considerar el peor caso.

El valor de Xc es el de la impedancia del transformador debido al acoplamiento capacitivo, y es mayor cuando el transformador tiene mejor aislamiento.

Los puntos A y B se ponen en la misma línea porque estamos considerando que el voltaje entre A y B es pequeño en comparación a los 110 VAC de la fuente hipotética.

Teniendo en mente esta equivalencia eléctrica, podemos ser más conscientes del peligro que implica tocar partes eléctricas de un equipo eléctrico, si no se tienen en cuenta las medidas de seguridad correspondientes.

Si la impedancia del transformador a 60Hz vale menos de 1 MΩ, la cantidad de voltaje que puede llegar a una persona, que tocara el secundario de un transformador o alguna parte metálica sin derivación a tierra, puede ser peligroso.

De allí que cuando tocamos el chasis de un aparato doméstico sin conexión a tierra, como una refrigeradora o una computadora, podemos sentir esa punzada que es consecuencia de la derivación de corriente a tierra a través de la piel humana y la persona.

«Una fuente de voltaje referenciada a tierra, siempre buscará su camino a tierra».

Alguien podría argumentar que el chasis del equipo no necesariamente está conectado al secundario del transformador de alimentación. Lo cierto es que aunque no haya conexión directa, es casi seguro que el circuito eléctrico del equipo si lo está [0. De otra forma estaríamos hablando de partes metálicas sin deriva a tierra o «flotantes». Esto no es común ni deseable. En electricidad, la norma es que todo conductor debe tener un potencial conocido o una deriva a tierra. De otra forma se comportaría como una antena y/o un acumulador de cargas eléctricas que podrían generar descargas peligrosas.]. Y para fines de seguridad, la resistencia global de un circuito es despreciable (se asume que es un conductor) en comparación con las impedancias de una persona o el aislamiento de un transformador.

Otro detalle a tomar en cuenta, es que se puede disminuir el riesgo de choque eléctrico para una persona, si se usa calzado especial, que, aunque no bloquea completamente la corriente, si la hace despreciable e inocua. Pero bastaría que la persona toque algún punto conectado a tierra, como la pared o algún objeto metálico, para restaurar esa conexión y el peligro correspondiente.

El efecto de la tierra

El problema anterior se suele solucionar cuando el aparato cuyo chasis tocamos, tiene una efectiva conexión a tierra. La mayoría de aparatos domésticos con chasis vienen con una clavija o enchufe con toma central para que el equipo tenga conexión a la línea de tierra del domicilio.

Se deduce que el domicilio o empresa donde funciona el aparato debe tener una derivación a tierra, sea a través de un pozo de tierra o similar, y que esa derivación a tierra debe estar accesible desde los tomacorrientes del ambiente.

En condiciones normales, si tenemos un equipo conectado a tierra; sucederán dos cosas:

• El chasis de equipo, y toda parte metálica de regular tamaño, estará eléctricamente conectada a tierra.
• Tocar al equipo en el chasis o algunas partes sensibles, generará pocas interferencias.

Esta es la medida de protección más efectiva porque evita que se genere un flujo de corriente peligroso hacia una persona cuando esta se encuentra parada sobre el piso o el suelo.

Un equipo con conexión a tierra ofrece protección efectiva contra la tensión peligrosa que pueden generar los transformadores. Tocar alguna parte metálica del circuito, equivale a tocar tierra, lo que no es peligroso (a menos que la misma tierra genere potenciales considerables, pero eso es tema para otro capítulo).

Pero un equipo conectado a tierra no implica que se pueda tocar la parte interior del equipo. Algunos aparatos, como un horno microondas o los televisores antiguos, generan potenciales peligrosos de varios miles de voltios dentro de su circuitería, después del transformador, y de eso no nos protege ninguna conexión a tierra.

Hay que notar que la conexión a tierra no evita las fugas de corriente (que en un transformador ideal deberían ser cero), sino que las redirecciona. De hecho, la corriente de fuga de un equipo con deriva a tierra es mayor todavía que uno que no la tenga. Pero esas corrientes son despreciables para fines de la facturación.

Cuando el chasis del transformador de un equipo está conectado a tierra (como es normal), las corrientes de fuga no solo pasan del primario al secundario, sino que siguen las rutas «primario-transformador» y «secundario-transformador», aunque esta última ruta es despreciable en comparación a la ruta que sigue el secundario a tierra a través del circuito principal:

Es por ello que las corrientes de fuga son mayores en equipos conectados a tierra. El chasis del transformador se conecta a tierra para seguir la norma de conectar todo conductor metálico a tierra por seguridad. Un transformador con el chasis flotante puede ser peligroso por el voltaje que pueda aparecer en el núcleo.

Bibliografía

[1] Hinostroza, T. (14 de septiembre de 2023). Acoplamiento Capacitivo en Transformadores. Blog de Tito. https://blogdetito.com/2023/09/14/acoplamiento-capacitivo-en-transformadores/

[2] Coparoman, Sistema de distribución trifásico a 4 hilos https://coparoman.blogspot.com/2020/01/sistema-de-distribucion-trifasico-4.html