Protección contra fallas a tierra es el conjunto de dispositivos y ajustes que detectan corriente que se fuga a tierra a través de aislamiento dañado e la interrumpen antes de que dañe a una persona o destruya equipos.
No es un único dispositivo, sino dos funciones distintas con dos umbrales muy diferentes: salvar una vida en milisegundos, o salvar un motor y un cable antes de que el daño al aislamiento se convierta en un evento de arco eléctrico.
Una falla a tierra es un camino no intencionado y de baja impedancia entre un conductor energizado y tierra (tierra física, una envolvente conectada a tierra o un conductor puesto a tierra). En un circuito sano la suma vectorial de corrientes en cualquier punto es cero.
Cuando el aislamiento falla, la corriente escapa hacia una superficie conectada a tierra, variando desde unos pocos miliamperios hasta miles de amperios.
Las fallas a menudo comienzan siendo pequeñas: un poro en el aislamiento del cable o un bobinado de motor contaminado pueden filtrar unos pocos miliamperios durante meses antes de escalar a una falla de cortocircuito con conexión sólida.
Esa ventana de crecimiento es lo que la protección contra fallas a tierra está diseñada para detectar tempranamente.
Un Interruptor de Circuito por Falla a Tierra (GFCI) es un dispositivo de protección de personal.
Los GFCI de Clase A, probados según UL 943, deben dispararse cuando la corriente de fuga alcanza 6 mA y no deben dispararse por debajo de 4 mA (la banda de disparo 4-6 mA), despejando la falla dentro de unos pocos ciclos en el extremo superior de ese rango.
Ese umbral está por debajo de la "corriente de soltado" a la que una persona pierde el control voluntario de su agarre (aproximadamente 10 mA para un adulto medio, menor para menor masa corporal) y muy por debajo del rango aproximado de 60-100 mA comúnmente asociado con el riesgo de fibrilación ventricular a frecuencia de la red.
Debido a que el umbral es tan bajo, un GFCI no puede funcionar en un circuito industrial trifásico normal o en una derivación de motor sin disparos intempestivos constantes, por lo que se reserva para tomacorrientes y equipos portátiles donde una persona podría contactar una parte energizada.
La Protección contra Fallas a Tierra de Equipo (GFPE), a menudo constituida por un relé de falla a tierra emparejado con un interruptor trip con bobina de disparo (shunt-trip), protege conductores, equipos de maniobra y motores del daño de una falla por arco sostenida, no a una persona de una descarga que podría sobrevivir. Los ajustes de disparo son mucho más altos que los de un GFCI, desde decenas de amperios hasta los pocos miles. En EE. UU., la NEC 230.95 exige GFPE en servicios en estrella conectados sólidamente a tierra sobre 150 V respecto a tierra (sin exceder 1000 V fase a fase bajo la NEC vigente) para cada desconexión de servicio con una clasificación de 1000 A o más, con excepciones limitadas como procesos industriales continuos donde un cierre no ordenado introduciría peligros adicionales, y circuitos de bombas contra incendios. Donde se requiere, el ajuste máximo es 1200 A, y las fallas de 3000 A o más deben despejarse en un segundo o menos, porque una falla por arco de bajo nivel en un servicio grande puede arder mucho tiempo sin disparar un interruptor o fusible estándar.
| Dispositivo | Protege | Nivel típico de disparo | Referencia normativa |
|---|---|---|---|
| GFCI (Clase A) | Personas | 4-6 mA | UL 943 |
| GFPE / relé de falla a tierra | Equipos, conductores, equipos de maniobra | Decenas de amperios hasta 1200 A máx. | NEC 230.95 |
Los bobinados de motores y el aislamiento de cables son las partes de un sistema más expuestas a los esfuerzos que causan fallas a tierra: envejecimiento térmico por sobretemperatura, humedad y contaminantes que penetran en el barniz del bobinado o en la chaqueta del cable, y abrasión mecánica.
Una vez que la resistencia de aislamiento se degrada lo suficiente como para filtrar corriente hacia un bastidor o blindaje conectado a tierra, esa fuga genera calor localizado, lo que degrada aún más el aislamiento, y una falla que se deja persistir tiende a escalar de una fuga fase-a-tierra a una falla fase-fase o a un arco destructivo.
Detectarla tempranamente, junto con pruebas periódicas de resistencia de aislamiento , es mucho más barato que reemplazar un estator.
Los motores mantenidos dentro de sus límites de temperatura de clase de aislamiento envejecen mucho más despacio que los motores que funcionan calientes por sobrecarga o por funcionamiento en una fase, por lo que una tendencia creciente de falla a tierra suele remontarse a una causa térmica.
Los servicios grandes suelen combinar varios de estos: un GFCI en el tomacorrientes para personal, un relé de falla a tierra en el servicio o alimentador para equipos, y pruebas de resistencia de aislamiento en motores críticos entre inspecciones.
Las pruebas periódicas solo detectan la degradación si la prueba se realiza después de que el daño haya progresado.
Una tendencia (corriente de fuga en aumento, resistencia de aislamiento en deriva, un motor funcionando más caliente que su línea base) es lo que le da al equipo de mantenimiento tiempo, la misma lógica que se aplica a los modos de falla de rodamientos y otras fallas progresivas.
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No. Los GFCI de Clase A disparan en el rango de 4-6 mA, muy por debajo de la fuga normal de la mayoría de los circuitos de motores industriales, lo que causaría disparos intempestivos constantes. Los circuitos de motores y alimentadores usan relés de falla a tierra o GFPE configurados en umbrales mucho más altos, dimensionados para proteger equipos más que una mano.
En EE. UU., la NEC 230.95 la exige en servicios en estrella conectados sólidamente a tierra sobre 150 V respecto a tierra (sin exceder 1000 V fase a fase bajo la NEC vigente) para desconexiones de servicio clasificadas en 1000 A o más, con excepciones limitadas como procesos industriales continuos y bombas contra incendios.
El aislamiento se degrada de forma acumulativa por envejecimiento térmico, humedad y contaminación. A medida que la resistencia baja tras años de servicio, condiciones que un bobinado nuevo toleraría fácilmente pueden producir fugas medibles, por lo que trazar tendencias de resistencia de aislamiento y corriente de falla a tierra es más informativo que una única prueba de aprobado/fallo.
Un cortocircuito es una conexión no intencionada y de baja impedancia entre dos conductores energizados, como fase a fase. Una falla a tierra es específicamente una conexión entre un conductor energizado y tierra, y a menudo comienza como una fuga de baja corriente que escala, mientras que un cortocircuito con contacto sólido normalmente produce corriente de falla alta de forma inmediata.
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