Tierra (electricidad)

Los sistemas de distribución eléctrica suelen conectarse a tierra para limitar la tensión que puede aparecer en los circuitos de distribución. Un sistema de distribución aislado de tierra puede alcanzar un potencial elevado debido a sobretensiones transitorias causadas por electricidad estática o por el contacto accidental con circuitos de mayor potencial. La conexión a tierra del sistema disipa dichas sobretensiones y limita el aumento de tensión en el sistema conectado a tierra.

En una instalación de cableado de la red eléctrica (corriente alterna), el término conductor de tierra normalmente se refiere a dos conductores o sistemas de conductores diferentes, como se indica a continuación:

Los conductores de conexión equipotencial o conductores de puesta a tierra (CTE) proporcionan una vía de baja impedancia entre las partes metálicas del equipo que normalmente no transportan corriente y uno de los conductores de la fuente del sistema eléctrico. Si alguna parte metálica expuesta se energiza (falla), por ejemplo, debido a un aislante desgastado o dañado, se produce un cortocircuito, lo que provoca que el dispositivo de protección contra sobrecorriente (interruptor o fusible) se abra, eliminando (desconectando) la falla. Esta acción ocurre independientemente de si existe una conexión a tierra física; la tierra física en sí misma no interviene en este proceso de eliminación de fallas ^{[ 1 ]} ya que la corriente debe regresar a su fuente; sin embargo, las fuentes suelen estar conectadas a tierra física ^{[ 2 ]} (véase la ley de circuitos de Kirchhoff ). Al conectar (interconectar) todos los objetos metálicos expuestos que no transportan corriente entre sí, así como a otros objetos metálicos como tuberías o acero estructural, deberían permanecer cerca del mismo potencial de voltaje, reduciendo así la probabilidad de una descarga eléctrica. Esto es especialmente importante en los baños, donde se puede estar en contacto con varios sistemas metálicos diferentes, como tuberías de suministro y desagüe y estructuras de electrodomésticos. Cuando se conecta eléctricamente un sistema conductor a tierra, se colocan el conductor de unión del equipo y el conductor del electrodo de puesta a tierra al mismo potencial (por ejemplo, véase §Tubería metálica de agua como electrodo de puesta a tierra más adelante).

AEl conductor de puesta a tierra (GEC) se utiliza para conectar el conductor neutro del sistema o el equipo a un electrodo de puesta a tierra o a un punto del sistema de puesta a tierra. Esto se denomina "puesta a tierra del sistema" y la mayoría de los sistemas eléctricos deben estar conectados a tierra. El Código Eléctrico Nacional (NEC) de EE. UU. y la norma británicaBS 7671enumeran los sistemas que deben estar conectados a tierra. Según el NEC, el propósito de conectar un sistema eléctrico a tierra es limitar la tensión impuesta por los rayos y el contacto con líneas de alta tensión. Antiguamente,de suministro de aguase utilizaban como electrodos de puesta a tierra, pero debido al mayor uso de tuberías de plástico, que son malos conductores, las autoridades reguladoras suelen exigir el uso de un electrodo de puesta a tierra específico. El mismo tipo de conexión a tierra se aplica a las antenas de radio y a los sistemas de protección contra rayos.

Los equipos eléctricos de instalación fija, salvo que no sea obligatorio, cuentan con conductores de puesta a tierra permanentemente conectados. Los dispositivos eléctricos portátiles con carcasa metálica pueden tenerlos conectados a tierra mediante una clavija en el enchufe (véase Enchufes y tomas de corriente alterna ). El tamaño de los conductores de puesta a tierra suele estar regulado por las normativas de cableado locales o nacionales.

En los sistemas de distribución eléctrica de corriente alterna con retorno a tierra de un solo conductor (SWER), se ahorran costos al utilizar un único conductor de alta tensión para la red eléctrica , mientras que la corriente de retorno de CA se canaliza a través de la tierra. Este sistema se utiliza principalmente en zonas rurales donde las grandes corrientes de tierra no representan un peligro.

Algunos sistemas de transmisión de energía de corriente continua de alta tensión (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. Para la conexión a tierra se utilizan electrodos de puesta a tierra enterrados. La ubicación de estos electrodos debe elegirse cuidadosamente para evitar la corrosión electroquímica en las 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 alcanzar un potencial elevado con respecto a puntos distantes. Esto se debe a la conductividad finita y limitada de las capas de suelo en la subestación. El gradiente de voltaje (la variación de voltaje a lo largo de la distancia al punto de inyección) puede ser tan alto que dos puntos en el suelo pueden tener potenciales significativamente diferentes. Este gradiente crea un peligro para cualquier persona que se encuentre en el suelo en un área de la subestación eléctrica que no esté suficientemente aislada de tierra. Las tuberías, rieles o cables de comunicación que ingresan a una subestación pueden experimentar diferentes potenciales de tierra dentro y fuera de la subestación, creando un voltaje de contacto peligroso para personas desprevenidas que puedan tocar dichas tuberías, rieles o cables. Este problema se mitiga mediante la creación de un plano de conexión equipotencial de baja impedancia instalado de acuerdo con la norma IEEE 80 dentro de la subestación. Este plano elimina los gradientes de voltaje y garantiza que cualquier falla se elimine en un plazo de tres ciclos de voltaje. ^{[ 5 ]}

Los sistemas de protección contra rayos están diseñados para mitigar sus efectos mediante la conexión a extensos sistemas de puesta a tierra que proporcionan una gran superficie de contacto con la tierra. Esta gran superficie es necesaria 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 la protección contra rayos suelen utilizar tramos cortos y rectos de conductores para reducir la autoinductancia y el efecto pelicular .

En una subestación eléctrica , una malla de material conductor, también conocida como estera de puesta a tierra o malla de conexión a tierra , es una malla instalada en los lugares donde una persona se pararía para operar un interruptor u otro aparato; está unida a la estructura metálica de soporte local y a la manija del interruptor , de modo que el operador no esté expuesto a una alta tensión diferencial debido a una falla en la subestación.

En las proximidades de dispositivos sensibles a la electricidad estática, se utiliza una alfombrilla de conexión a tierra para disipar la electricidad estática generada por personas y equipos en movimiento. ^{[ 6 ]} Existen dos tipos utilizados en el control de la estática: alfombrillas disipadoras de estática y alfombrillas conductoras.

Las alfombrillas disipadoras de estática que se colocan sobre una superficie conductora (como suele ocurrir en instalaciones militares) suelen estar compuestas de tres capas (3-ply): capas de vinilo disipador de estática que rodean un sustrato conductor conectado a tierra. Para usos comerciales, se utilizan tradicionalmente alfombrillas de goma disipadoras de estática de dos capas (2-ply): una capa superior resistente a la soldadura, que les confiere mayor durabilidad que las de vinilo, y una base de goma conductora . Las alfombrillas conductoras están hechas de carbono y se utilizan exclusivamente en suelos para disipar la electricidad estática a tierra lo más rápidamente posible. Normalmente, las alfombrillas conductoras incorporan amortiguación para mayor comodidad al estar de pie y se denominan alfombrillas antifatiga.

Para que una alfombrilla disipadora de estática esté conectada a tierra de forma fiable, debe estar conectada a una vía de conexión a tierra. Normalmente, tanto la alfombrilla como la pulsera antiestática se conectan a tierra mediante un sistema de conexión a tierra de punto común (CPGS). ^{[ 7 ]}

En los talleres de reparación de computadoras y en la fabricación de productos electrónicos, los trabajadores deben estar conectados a tierra antes de manipular dispositivos sensibles a voltajes que pueden generarse por la actividad humana. Por esta razón, las alfombrillas disipadoras de estática se utilizan en las plantas de ensamblaje como "revestimientos" a lo largo de la línea de producción para absorber la estática generada por las personas que caminan.

El voltaje se define como la diferencia de potencial eléctrico entre dos puntos de un campo eléctrico. Un voltímetro se utiliza para medir la diferencia de potencial entre un punto y un punto de referencia común, que suele ser arbitrario. Este punto de referencia se denomina "tierra" y se designa con un potencial nominal cero. Las señales se definen con respecto a la tierra de señal , que puede estar conectada a la tierra de alimentación . Un sistema donde la tierra del sistema no está conectada a otro circuito ni a tierra (en el que aún puede existir acoplamiento de CA entre dichos circuitos) se suele denominar tierra flotante y puede corresponder a aparatos de Clase 0 o Clase II .

Algunos dispositivos requieren una conexión a tierra para funcionar correctamente, más allá de su función puramente protectora. Esta conexión se conoce como toma de tierra funcional . Por ejemplo, algunas antenas de onda larga requieren una conexión a tierra funcional, que generalmente no debe conectarse indiscriminadamente a la toma de tierra de protección de la red eléctrica, ya que la introducción de radiofrecuencias transmitidas en la red de distribución eléctrica es ilegal y potencialmente peligrosa. Debido a esta separación, no se debe confiar en una toma de tierra puramente funcional para que cumpla una función protectora. Para evitar accidentes, estas tomas de tierra funcionales suelen cablearse con cables blancos, crema o rosas, y no verdes ni verde/amarillos. 

En estaciones de televisión , estudios de grabación y otras instalaciones donde la calidad de la señal es crítica, se suele instalar una toma de tierra especial, conocida como "toma de tierra técnica" (o "tierra técnica", "tierra especial" o "tierra de audio"), para evitar bucles de tierra . Básicamente, es lo mismo que una toma de tierra de alimentación de CA, pero no se permite la conexión de cables de tierra de aparatos generales, ya que pueden transmitir interferencias eléctricas. Por ejemplo, en un estudio de grabación, solo los equipos de audio se conectan a la toma de tierra técnica. ^{[ 9 ]} En la mayoría de los casos, los bastidores metálicos de los equipos del estudio se unen con cables de cobre gruesos (o tubos de cobre aplanados o barras colectoras ) y se realizan conexiones similares a la toma de tierra técnica. Se tiene mucho cuidado de que no se coloquen aparatos con conexión a tierra de chasis general en los bastidores, ya que una sola conexión a tierra de CA a la toma de tierra técnica destruirá su eficacia. Para aplicaciones particularmente exigentes, la toma de tierra técnica principal puede consistir en un tubo de cobre grueso, instalado si es necesario perforando varios pisos de concreto, de manera que todas las tomas de tierra técnicas se puedan conectar por el camino más corto posible a una varilla de puesta a tierra en el sótano.

Los sistemas de telégrafo electromagnético de larga distancia desde 1820 en adelante ^{[ a ]} utilizaban dos o más cables para transportar la señal y las corrientes de retorno. El científico alemán C.A. von Steinheil descubrió entre 1836 y 1837 que la tierra podía utilizarse como vía de retorno para completar el circuito, haciendo innecesario el cable de retorno. ^{[ 11 ]} Steinheil no fue el primero en hacerlo, pero desconocía trabajos experimentales anteriores, y fue el primero en hacerlo en un telégrafo en servicio, dando así a conocer el principio a los ingenieros de telégrafo en general. Sin embargo, este sistema presentaba problemas, como lo demuestra la línea telegráfica transcontinental construida en 1861 por la Western Union Company entre St. Joseph, Missouri , y Sacramento, California . Durante la sequía, la conexión a tierra solía desarrollar una alta resistencia, lo que obligaba a verter agua sobre la varilla de tierra para que el telégrafo funcionara o los teléfonos sonaran.

A finales del siglo XIX, cuando la telefonía comenzó a reemplazar 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 fuentes naturales como los rayos causaban interferencias inaceptables en las señales de audio, y el sistema de dos hilos o "circuito metálico" se reintrodujo alrededor de 1883. ^{[ 12 ]}

Un sistema de tierra estándar ampliamente utilizado para antenas de radiodifusión de radiador de mástil que operan en las bandas MF y LF consta de 120  cables de tierra radiales enterrados, igualmente espaciados, que se extienden un cuarto de longitud de onda (${\displaystyle \ {\tfrac {1}{4}}\lambda \ }$, o 90  grados eléctricos ^{[ b ]} ) desde la base de la antena. ^{[ 14 ] [ 13 ] [ 16 ] [ 17 ]} Se suele utilizar cable de cobre estirado suave AWG  8 a AWG 10, enterrado a 4–10 in (100–250 mm) de profundidad. ^{[ 16 ]} Para antenas de banda de radiodifusión AM, esto requiere un área de terreno circular que se extiende desde el mástil 47–136 metros (154–446 pies) . Por lo general, se planta con césped, que se mantiene corto, ya que el césped alto puede aumentar la pérdida de potencia en ciertas circunstancias. Si el área de terreno disponible es demasiado limitada para radiales tan largos, en muchos casos se pueden reemplazar adecuadamente por un mayor número de radiales más cortos, o un menor número de radiales más largos. ^{[ 15 ] [ 13 ]}    

En las antenas transmisoras, una segunda causa de desperdicio de potencia son las pérdidas de potencia dieléctrica del campo eléctrico ( corriente de desplazamiento ) de la antena que pasa a través de la tierra para llegar a los cables de tierra. ^{[ 17 ]} Para antenas cercanas a una altura de media longitud de onda (180  grados eléctricos ^{[ b ]} ), la antena tiene un máximo de voltaje ( 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 donde la corriente de desplazamiento entra en el suelo. Para reducir esta pérdida, estas antenas a menudo usan una pantalla de tierra de cobre conductora debajo de la antena conectada a los cables de tierra enterrados, ya sea apoyada en el suelo o elevada unos pocos pies, para proteger el suelo del campo eléctrico.

En algunos casos donde el suelo rocoso o arenoso presenta una resistencia demasiado alta para una instalación subterránea, se utiliza un contrapeso . ^{[ 13 ]} Se trata de una red radial de cables similar a la de un sistema subterráneo, pero que se encuentra en la superficie o suspendida a unos pocos pies del suelo. Actúa como una placa de condensador , acoplando capacitivamente la línea de alimentación a las capas conductoras del suelo.

A frecuencias más bajas, la resistencia del sistema de tierra es un factor más crítico debido a la pequeña resistencia de 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 de resonancia fundamental de un cuarto de longitud de onda (${\displaystyle \ {\tfrac {1}{4}}\lambda \ }$). Un monopolo de cuarto de onda tiene una resistencia de radiación de alrededor de 25~36 ohmios , pero por debajo ${\displaystyle \ {\tfrac {1}{4}}\lambda \ }$La resistencia disminuye con el cuadrado de la relación entre la altura y la longitud de onda. La potencia suministrada a una antena se divide entre la resistencia de radiación, que representa la potencia emitida como ondas de radio (la función deseada de la antena), y la resistencia óhmica del sistema de tierra, que resulta en una pérdida de potencia en forma de calor. A medida que la longitud de onda aumenta en relación con la altura de la antena, la resistencia de radiación de la antena disminuye, por lo que la resistencia de tierra constituye una mayor proporción de la resistencia de entrada de la antena y consume más potencia del transmisor. Las antenas en la banda VLF suelen tener una resistencia inferior a 1 ohmio , e incluso con sistemas de tierra de resistencia extremadamente baja, entre el 50 % y el 90 % de la potencia del transmisor puede perderse en el sistema de tierra. ^{[ 14 ]}