¿Por qué el tamaño del cable de tierra es más pequeño que el del cable fase?
Consideraciones para el dimensionamiento del cable de tierra
El tamaño del cable de tierra no tiene que coincidir necesariamente con el del cable de alimentación (fase o caliente). Sin embargo, sus dimensiones deben ajustarse estrictamente a las regulaciones establecidas en los códigos eléctricos, como el National Electrical Code (NEC) en los Estados Unidos. Varios factores clave influyen en el dimensionamiento adecuado de los cables de tierra:
Aunque no es una ocurrencia común, en situaciones que involucran largas extensiones de cable o circuitos donde minimizar la impedancia es crucial, puede ser necesario aumentar el tamaño del cable de tierra. Esto se debe a que un cable de tierra más largo puede experimentar una caída de tensión significativa, lo que a su vez aumenta la resistencia de la ruta de puesta a tierra. Para mitigar este problema y garantizar la seguridad y confiabilidad del sistema eléctrico, el cable de tierra puede dimensionarse para que coincida con el conductor de fase.
En instalaciones eléctricas específicas, los ingenieros pueden optar por hacer que el cable de tierra tenga el mismo tamaño que el cable de fase como medida adicional de seguridad. Esta práctica es particularmente prevalente en sistemas críticos donde los fallos eléctricos podrían tener consecuencias graves, o en áreas donde los códigos eléctricos locales imponen requisitos más estrictos. Al utilizar un cable de tierra de mayor tamaño, el sistema puede manejar mejor las corrientes de falla, reduciendo el riesgo de choques eléctricos y daños al equipo.
Entendimiento del dimensionamiento del cable de tierra en circuitos eléctricos
Cuando el cable de tierra es más pequeño que el cable de alimentación
En muchos circuitos eléctricos, el cable de tierra (o de puesta a tierra) suele ser de menor calibre en comparación con los cables de fase (caliente) y neutro, y esta elección de diseño se basa en varios factores clave:
Función de cada tipo de cable
Cable de Fase: Este cable es responsable de transportar la corriente total durante la operación normal del circuito. Suministra energía eléctrica a los dispositivos y electrodomésticos conectados.
Cable Neutro: Sirve como camino de retorno para la corriente, llevando la misma cantidad de corriente que el cable de fase de vuelta a la fuente de energía.
Cable de Tierra: Su papel principal es proporcionar un camino seguro para las corrientes de falla, como las generadas durante cortocircuitos o fugas eléctricas. Al desviar estas corrientes anormales, protege el equipo y evita choques eléctricos a las personas. Es importante destacar que el cable de tierra no participa en la operación normal de transporte de corriente del circuito.
Requisitos de transporte de corriente
Dado que el cable de tierra solo conduce corriente durante condiciones de falla, no necesita manejar corrientes de carga continuas como el cable de fase. Las corrientes de falla generalmente fluyen por un período muy breve, típicamente solo hasta que un dispositivo de protección contra sobrecorriente, como un interruptor automático o fusible, se activa para interrumpir el circuito. Como resultado, el cable de tierra puede dimensionarse para soportar estos picos de corta duración sin sobrecalentarse. Su diseño permite que lleve corrientes de falla lo suficiente para que los dispositivos protectores desconecten el circuito, y la corta duración de la falla minimiza el riesgo de un aumento significativo de calor. Esto permite el uso de un cable de menor calibre, reduciendo costos y el uso de material mientras aún se cumplen los estándares esenciales de seguridad y rendimiento. Sobredimensionar el cable de tierra incurriría en gastos innecesarios sin ofrecer beneficios de seguridad sustanciales adicionales.
Consideraciones sobre la caída de tensión
La caída de tensión no es una preocupación importante en el diseño de los cables de tierra porque no transportan corriente de manera continua. Además, los cables de tierra suelen instalarse en longitudes relativamente cortas. Esta longitud corta permite que las corrientes de falla se conduzcan rápidamente a tierra, activando el interruptor para que se dispare sin causar sobrecalentamiento del cable. En consecuencia, se puede usar un cable de tierra de menor tamaño sin comprometer el rendimiento del circuito.
Estándares de dimensionamiento basados en códigos
National Electrical Code (NEC): El NEC proporciona directrices detalladas en la Tabla 250.122 que especifican el tamaño mínimo del conductor de puesta a tierra de equipos (EGC). Estos requisitos se basan en la calificación del dispositivo de protección contra sobrecorriente, como un interruptor automático o fusible, que protege el circuito.
Comisión Electrotécnica Internacional (IEC): Similar al NEC, los estándares IEC definen el tamaño mínimo de los conductores de puesta a tierra. Sin embargo, las pautas de la IEC consideran generalmente factores como el tamaño de los conductores de fase y la corriente de falla máxima esperada. Estos códigos aseguran que los cables de tierra estén dimensionados adecuadamente, ni demasiado pequeños, lo que podría llevar a fallas durante las fallas, ni excesivamente grandes, lo que sería un desperdicio.
Ejemplos prácticos
Para un circuito protegido por un interruptor automático de 15 amperios, el cable caliente es típicamente #12 AWG, y el cable de tierra debe ser al menos #14 AWG de cobre.
Con un interruptor automático de 20 amperios, el cable caliente es 10 AWG, y el cable de tierra debe ser al menos #12 AWG de cobre.
En el caso de un interruptor automático de 50 amperios, el cable caliente es #6 AWG, y el tamaño mínimo para el cable de tierra es 10 AWG de cobre.
Para un interruptor automático y panel de 100 amperios, donde el cable de servicio es #4 AWG, el cable de tierra debe ser al menos #8 AWG de cobre.
Para un servicio de 200 amperios, los cables calientes son al menos #3/0 AWG, y el cable de tierra debe ser #4 AWG.
Los circuitos con interruptores automáticos muy grandes, como los clasificados en 600 amperios, requieren cables de tierra dimensionados proporcionalmente para manejar las corrientes de falla potenciales.
Aunque el cable de tierra es más pequeño que el cable de fase en la mayoría de los casos, hay excepciones.
Cuando el cable de tierra coincide con el tamaño del cable de alimentación
Existen escenarios específicos en los que el cable de tierra debe tener el mismo tamaño que el cable de alimentación:
Conductores de unión
Cuando los cables de tierra se utilizan para fines de unión, como conectar las partes metálicas del equipo eléctrico al sistema de puesta a tierra, pueden necesitar ser del mismo tamaño que el cable de alimentación. Esto asegura que puedan transportar eficazmente las corrientes de falla y mantener la integridad de la conexión de unión, proporcionando una protección confiable contra peligros eléctricos.
Conductores de gran calibre
Para circuitos que utilizan conductores de gran calibre (por ejemplo, 3/0 AWG o mayores), el NEC exige cables de tierra proporcionalmente más grandes. Esto es para asegurar que el sistema de puesta a tierra pueda manejar las altas corrientes de falla asociadas con los circuitos de alta capacidad y mantener la seguridad de la instalación eléctrica.
Aplicaciones de equipos especiales
Determinados tipos de equipos sensibles o de alta capacidad, como las instalaciones fotovoltaicas (PV), pueden requerir cables de tierra dimensionados para coincidir con los cables de fase. Este dimensionamiento es necesario para garantizar un flujo eficiente de corriente de falla y minimizar la impedancia, mejorando así la seguridad y el rendimiento general del equipo y del sistema eléctrico.
Las implicaciones de un dimensionamiento incorrecto del cable de tierra
El cable de tierra en un sistema eléctrico no siempre coincide con el tamaño de los cables caliente o neutro; puede ser ligeramente más grande o más pequeño. Cuando se trata de usar un cable de tierra más grande, aunque no supone ningún riesgo para el sistema eléctrico, implica un aumento de costos debido al material adicional requerido. En situaciones donde se necesita una longitud extra, se puede utilizar una caja de empalmes para extender el cable sin comprometer la integridad del sistema de puesta a tierra.
De hecho, un cable de tierra más grande ofrece varias ventajas y puede ser especialmente beneficioso en ciertos escenarios. Con su menor resistencia, los cables más grandes reducen eficazmente la caída de tensión, asegurando una conexión eléctrica más estable. Esto se vuelve especialmente crucial en sistemas que demandan capacidades de transporte de corriente más altas. Al minimizar la pérdida de tensión, un cable de tierra más grande ayuda a mantener un rendimiento eléctrico constante, mejorando la confiabilidad y la seguridad del sistema en general.
Por el contrario, usar un cable de tierra demasiado pequeño puede llevar a problemas graves. Los cables más pequeños tienen una resistencia eléctrica mayor, lo que puede interferir con el funcionamiento adecuado del mecanismo de disparo magnético de un interruptor automático. Esta interferencia significa que el interruptor puede no dispararse tan rápido como debería en caso de falla, permitiendo que fluyan niveles potencialmente peligrosos de corriente a través del sistema. Además, los cables de tierra más pequeños pueden no ser capaces de manejar corrientes de falla excesivas, lo que puede llevar a sobrecalentamiento. En casos extremos, este sobrecalentamiento puede causar que el cable se derrita, creando un riesgo significativo de incendio y poniendo en peligro tanto la propiedad como las vidas.
Para garantizar la seguridad y el rendimiento óptimo de un sistema eléctrico, es esencial utilizar un cable de tierra de tamaño apropiado. Por ejemplo, en un servicio estándar de 100 amperios con una extensión de 150 pies, generalmente se recomienda un cable de tierra de 8 AWG (American Wire Gauge). Adherirse a estas pautas de dimensionamiento ayuda a proteger contra peligros eléctricos y asegura que el sistema de puesta a tierra funcione efectivamente, proporcionando protección confiable en caso de falla.
