Introducción
La seguridad eléctrica en instalaciones industriales y comerciales no se trata de elegir entre métodos de protección, sino de comprender cómo funcionan en conjunto. Muchos administradores de instalaciones y contratistas se enfrentan a una pregunta común: “¿No hacen estos dispositivos lo mismo?” La respuesta revela una verdad fundamental sobre la protección eléctrica.
La puesta a tierra, el GFCI (Interruptor de circuito por falla a tierra) o RCD (Dispositivo de corriente residual) y los dispositivos de protección contra sobretensiones abordan cada uno modos de falla distintos en su sistema eléctrico. No son redundantes; son capas complementarias que protegen contra diferentes amenazas. Un sistema debidamente conectado a tierra no salvará su equipo de los picos de voltaje inducidos por rayos. Un protector contra sobretensiones no evitará que alguien se electrocute por una falla a tierra. Y un RCD no puede estabilizar el voltaje durante el funcionamiento normal.
Esta guía desglosa cada pilar de protección, explica contra qué protege (y contra qué no) y le muestra cómo especificar un sistema de seguridad completo que cumpla con los estándares IEC y NEC mientras protege tanto al personal como al equipo.
Pilar 1: Sistemas de puesta a tierra
Qué hace la puesta a tierra
La puesta a tierra (o conexión a tierra) crea una conexión deliberada de baja impedancia entre su sistema eléctrico y la tierra. Piense en ello como la base de la seguridad eléctrica; sin ella, los otros dos pilares no pueden funcionar correctamente.
El sistema de puesta a tierra conecta todas las partes metálicas no conductoras de corriente de su instalación (carcasas de equipos, conductos y metal estructural) a un electrodo de puesta a tierra enterrado en la tierra. Esto proporciona una ruta segura para que fluya la corriente de falla.
Cómo protege la puesta a tierra
Seguridad del personal: Cuando una falla energiza las carcasas de los equipos (un cable suelto toca la carcasa metálica), el conductor de tierra proporciona una ruta de baja resistencia a tierra. Esto evita voltajes de contacto peligrosos y garantiza un flujo rápido de corriente de falla para disparar los dispositivos de sobrecorriente.
Prevención de incendios: Al canalizar las corrientes de falla de forma segura, la puesta a tierra evita el sobrecalentamiento de los cables y la formación de arcos que pueden provocar incendios. La alta corriente de falla activa los interruptores automáticos o los fusibles, aislando el problema.
Estabilización de voltaje: La puesta a tierra establece un punto de referencia para su sistema eléctrico, manteniendo un voltaje estable durante el funcionamiento normal. Esto es fundamental para los equipos de control industrial sensibles.
Protección contra sobretensión: Los rayos y las sobretensiones de la línea eléctrica necesitan una ruta a tierra. La puesta a tierra proporciona esta ruta, aunque requiere coordinación con los dispositivos de protección contra sobretensiones para una protección completa.
Requisitos de IEC 60364 y NEC Artículo 250
Las normas internacionales clasifican los sistemas de puesta a tierra según cómo se relacionan la fuente y la instalación con la tierra:
| El Tipo De Sistema De | Conexión de fuente | Conexión de partes expuestas | Aplicaciones Comunes |
|---|---|---|---|
| TN-S | Neutro directamente conectado a tierra | Conectado a través de un conductor PE separado | Más común en nuevas instalaciones industriales |
| TN-CS | Conductor PEN combinado, luego separado | Conectado a PEN, luego PE separado | Configuraciones de entrada de servicio del edificio |
| TT | Fuente conectada a tierra | Electrodo de tierra local independiente | Requerido donde la conexión a tierra de la utilidad no está disponible; necesita RCD |
| TI | Tierra aislada o de alta impedancia | Conexión a tierra local | Hospitales, procesos críticos que requieren continuidad |
El artículo 250 de NEC exige la puesta a tierra para sistemas de más de 50 V. Los requisitos clave incluyen:
- Sistema de electrodos de puesta a tierra: Las tuberías de agua metálicas, el acero de construcción, los electrodos encapsulados en hormigón (tierra Ufer) y las varillas de tierra deben unirse entre sí
- Conductores de puesta a tierra del equipo (EGC): Requerido en todos los circuitos, dimensionado según la Tabla 250.122 según la clasificación del dispositivo de sobrecorriente
- Ruta efectiva de corriente de falla a tierra: Debe ser permanente, continuo y de baja impedancia. La tierra por sí sola no es una ruta eficaz de falla a tierra.
Qué no puede hacer la puesta a tierra
No detecta fugas de corriente: Una persona que toca un conductor con corriente mientras está de pie sobre una superficie aislada no estará protegida; no hay una ruta a tierra para que el sistema de puesta a tierra la detecte. Aquí es donde los RCD son esenciales.
No limita las sobretensiones transitorias: Si bien la puesta a tierra proporciona una ruta para la corriente de sobretensión, no sujeta el voltaje a niveles seguros. Necesita SPD para eso.
No previene todas las descargas eléctricas: Si entra en contacto con vivo y neutro simultáneamente, la corriente no fluye a través de tierra, por lo que el sistema ve una corriente equilibrada y no se dispara.
Pilar 2: Protección GFCI/RCD
Qué hacen los RCD
Los dispositivos de corriente residual (RCD), llamados Interruptores de circuito por falla a tierra (GFCI) en Norteamérica, son dispositivos que salvan vidas diseñados específicamente para proteger a las personas de descargas eléctricas. Supervisan el equilibrio de la corriente y reaccionan en milisegundos a fugas peligrosas.
A diferencia de la puesta a tierra, que proporciona una ruta de falla pasiva, los RCD supervisan activamente el circuito y se disparan en el momento en que detectan que la corriente fluye a través de una ruta no deseada, como el cuerpo de una persona.
Cómo funcionan los RCD
Un RCD utiliza un transformador de corriente diferencial (transformador de equilibrio de núcleo) con conductores vivos y neutros que lo atraviesan. En funcionamiento normal, la corriente que sale a través del conductor vivo es igual a la corriente que regresa a través del neutro. Los campos magnéticos se cancelan.
Cuando se produce una falla a tierra (alguien toca una parte con corriente o falla el aislamiento), la corriente se fuga a tierra. Esto crea un desequilibrio. La bobina sensora detecta esta diferencia, induce una corriente en el devanado secundario y dispara el mecanismo de relé. Todo el proceso tarda entre 10 y 30 milisegundos.
Sensibilidad y tiempo de respuesta
IEC 61008 define la sensibilidad del RCD por la corriente de funcionamiento residual nominal (IΔn):
| Clase de sensibilidad | Clasificación IΔn | Aplicación Típica | Tiempo de viaje |
|---|---|---|---|
| Alta sensibilidad | 5 mA, 10 mA, 30 mA | Protección de personal, protección adicional contra contacto directo | 10-30 ms típico; 300 ms máximo |
| Sensibilidad media | 100 mA, 300 mA, 500 mA, 1000 mA | Protección contra incendios en instalaciones industriales | Según la curva tiempo-corriente de la norma IEC 61008 |
| Baja sensibilidad | 3 A, 10 A, 30 A | Protección de maquinaria, aislamiento de equipos | Específico de la aplicación |
Para la protección del personal, 30 mA es el estándar. Este umbral es lo suficientemente bajo para prevenir la fibrilación ventricular en adultos sanos, a la vez que lo suficientemente alto para evitar disparos intempestivos por fugas normales en grandes instalaciones.
Tipos de RCD según IEC 61008/61009
Tipo AC: Detecta únicamente corrientes residuales sinusoidales de CA. Adecuado para cargas resistivas como calefacción e iluminación.
Tipo A: Detecta corrientes residuales de CA y CC pulsante. Requerido para electrónica moderna, variadores de velocidad y cargas basadas en rectificadores que pueden producir componentes de falla de CC.
Tipo B: Detecta corrientes residuales de CA, CC pulsante y CC continua. Obligatorio para estaciones de carga de vehículos eléctricos, inversores solares y convertidores de frecuencia industriales según IEC 61851 e IEC 62196.
Tipo F: Tipo A mejorado con inmunidad a interferencias de alta frecuencia. Utilizado para equipos de TI y centros de control de motores.
Lo que los RCD no pueden hacer
Sin protección para contacto línea a línea: Si alguien toca simultáneamente el vivo y el neutro, el RCD ve una corriente equilibrada y no se dispara. La corriente no se fuga a tierra.
Sin protección contra sobrecorriente: Los RCD no protegen contra sobrecargas o cortocircuitos. Deben instalarse aguas abajo de MCB o MCCB, o utilizar RCBO (dispositivos combinados).
Sin protección contra sobretensiones: Los RCD detectan desequilibrio de corriente, no picos de tensión. Una sobretensión por rayo puede dañar el equipo incluso con protección RCD.
Requiere suministro en funcionamiento: Los RCD estándar necesitan tensión de línea para operar el mecanismo de disparo. Existen tipos independientes de la tensión para aplicaciones críticas.
Pilar 3: Dispositivos de protección contra sobretensiones
Lo que hacen los DPS
Los dispositivos de protección contra sobretensiones (DPS) protegen los equipos de sobretensiones transitorias: picos de tensión breves pero destructivos causados por rayos, conmutación de la red eléctrica o cambios de carga. Estas sobretensiones pueden alcanzar miles de voltios y destruir la electrónica sensible en microsegundos.
Los DPS detectan el exceso de tensión y lo desvían al sistema de puesta a tierra, limitando la tensión a un nivel seguro. Por eso es esencial una puesta a tierra adecuada: sin una trayectoria de baja impedancia a tierra, el DPS no tiene dónde enviar la energía de la sobretensión.
Cómo funcionan los SPD
Los DPS utilizan tres tecnologías principales:
Varistores de óxido metálico (MOV): Dispositivos semiconductores con resistencia dependiente de la tensión. A tensión normal, son esencialmente abiertos. Cuando la tensión supera el umbral, la resistencia cae drásticamente, desviando la sobretensión a tierra. Tiempo de respuesta: <25 nanosegundos.
Tubos de descarga de gas (GDT): Tubos cerámicos llenos de gas que se ionizan y conducen a alta tensión. Manejan corrientes de sobretensión masivas, pero tienen una respuesta más lenta (microsegundos) y una tensión de limitación más alta. A menudo se utilizan en la protección de telecomunicaciones.
Diodos de supresión (SAD/TVS): Dispositivos semiconductores de acción rápida para protección de precisión y baja tensión. Comunes en líneas de datos y circuitos de control sensibles.
Los DPS industriales a menudo combinan tecnologías: GDT para impactos de alta energía, MOV para sobretensiones medias y diodos para la limitación final.
Clasificación IEC 61643
La norma IEC 61643-11 define tres tipos de DPS para la protección coordinada:
| Tipo de SPD | Lugar de instalación | Forma de onda de prueba | Corriente de Impulso (Iimp) | Descarga Nominal (In) | Nivel de Protección de Tensión (Up) | Propósito |
|---|---|---|---|---|---|---|
| Tipo 1 (Clase I) | Entrada de servicio principal, aguas arriba del interruptor principal | 10/350 µs | 10-200 kA | — | 1,5-2,0 kV | Protección contra impacto directo de rayo |
| Tipo 2 (Clase II) | Paneles de distribución, subpaneles | 8/20 µs | — | 10-60 kA | ≤1,6-2,0 kV | Rayos indirectos, sobretensiones de conmutación |
| Tipo 3 (Clase III) | Punto de uso, cerca del equipo | 1,2/50 µs (Uoc) + 8/20 µs (In) | — | <5 kA | 1,0-1,5 kV | Protección final para equipos sensibles |
La instalación coordinada es crítica. El tipo 1 maneja la energía masiva de los impactos directos. El tipo 2 protege contra las sobretensiones que penetran más allá de la entrada de servicio. El tipo 3 proporciona la limitación final para las cargas sensibles.
Especificaciones
Nivel de Protección de Tensión (Up): La tensión máxima que el DPS permite pasar. Debe ser inferior a la tensión de resistencia al impulso del equipo. Para sistemas de 230 V con equipos clasificados para una resistencia al impulso de 2,5 kV, especifique DPS con Up ≤ 2,0 kV.
Corriente de descarga nominal (In, 8/20 µs): La corriente que el DPS puede manejar repetidamente. Las aplicaciones industriales suelen requerir 20-40 kA para los dispositivos de tipo 2.
Corriente de descarga máxima (Imax): La corriente máxima para un único evento de sobretensión. Importante para instalaciones de alta exposición.
El Tiempo De Respuesta: Los SPD basados en MOV reaccionan en nanosegundos, lo suficientemente rápido para la mayoría de las amenazas. Los dispositivos basados en GDT tardan microsegundos, pero manejan mayor energía.
Requisitos de instalación
Según IEC 61643-11:
- Longitud del cable <0.5 metros: Los cables largos crean inductancia, aumentando el Up efectivo y negando la protección
- Protección de sobrecorriente de respaldo: Los fusibles o interruptores automáticos protegen contra fallas del SPD
- Conexión a tierra adecuada: La efectividad del SPD depende completamente de la impedancia del sistema de puesta a tierra
- Coordinación entre tipos: Los SPD de Tipo 1 y Tipo 2 necesitan una separación mínima de cable de 10 metros o inductancia de desacoplamiento
Lo que los SPD no pueden hacer
Sin protección contra descargas eléctricas al personal: Los SPD protegen los equipos contra sobretensiones, no a las personas contra descargas eléctricas. No se dispararán si alguien toca un conductor con corriente.
Sin protección sin puesta a tierra: Un SPD desvía la corriente de sobretensión a tierra. Si su sistema de puesta a tierra tiene alta impedancia o está desconectado, el SPD es inútil.
Sin protección contra sobretensión sostenida: Los SPD manejan transitorios que duran microsegundos a milisegundos. No pueden proteger contra sobretensiones de larga duración debido a problemas de la red eléctrica; necesita relés de sobre/subtensión para eso.
Vida útil finita: Los SPD se degradan con cada sobretensión. La mayoría incluye indicadores visuales o contactos remotos para señalar el final de su vida útil.
Cuadro comparativo
| Característica de protección | Sistema de puesta a tierra | GFCI/RCD | Dispositivo de protección contra sobretensiones (SPD) |
|---|---|---|---|
| Propósito principal | Trayectoria de corriente de falla, referencia de voltaje | Protección contra descargas eléctricas al personal | Protección del equipo contra transitorios |
| Contra qué protege | Fallas de equipo, incendios, permite la operación del dispositivo de sobrecorriente | Descarga eléctrica por fallas a tierra (fuga de 4-30 mA) | Rayos, sobretensiones de conmutación, picos de voltaje |
| Contra qué NO protege | Fuga de corriente <umbral del interruptor automático, picos de voltaje, descarga entre líneas | Sobrecarga, cortocircuito, sobretensiones, contacto entre líneas | Riesgos de descarga eléctrica, sobrecorriente, sobretensión sostenida |
| El Tiempo De Respuesta | Instantáneo (trayectoria siempre presente) | 10-30 ms típico, 300 ms máximo | <25 ns (MOV), 1-5 µs (GDT) |
| Umbral de activación | N/A (conductor pasivo) | 5 mA a 30 A (depende de la clasificación) | Excede el voltaje nominal (por ejemplo, >350V para un sistema de 230V) |
| Normas clave | IEC 60364, NEC Artículo 250 | IEC 61008/61009, NEC 210.8 | IEC 61643-11, UL 1449 |
| Lugar de instalación | En todo el sistema: servicio, paneles, equipo | Tableros de distribución, circuitos con riesgo de descarga eléctrica (áreas húmedas, equipos) | Entrada de servicio (Tipo 1), paneles (Tipo 2), equipo (Tipo 3) |
| Requiere otra protección | No, pero permite que otros funcionen | Sí, necesita MCB/MCCB aguas arriba | Sí, requiere puesta a tierra y fusible/interruptor automático de respaldo |
| Clasificaciones industriales típicas | <1 Ω resistencia del electrodo; EGC según NEC Tabla 250.122 | 30 mA (personal), 100-300 mA (incendio), Tipo A/B para industrial | Tipo 2: 20-40 kA In; Up ≤2.0 kV |
| Mantenimiento | Pruebas periódicas de resistencia | Botón de prueba mensual, prueba de disparo anual | Verificación del indicador visual, reemplazo después de una sobretensión importante |
| Modo de Fallo | Corrosión gradual; detectable mediante pruebas | A prueba de fallas (la mayoría se disparan en caso de falla); probar trimestralmente | Degradación después de sobretensiones; monitorear el indicador |
| Consideración de costos | Moderado; costo de diseño/instalación | Bajo-moderado por dispositivo | Moderado (Tipo 2) a alto (Tipo 1) |
| Requisitos del Código | Obligatorio según NEC/IEC para todos los sistemas >50V | Obligatorio para lugares húmedos/exteriores, maquinaria según IEC 60204 | Recomendado para equipos críticos; obligatorio para áreas propensas a rayos |
Sección de preguntas frecuentes
P: ¿Puedo omitir la conexión a tierra si tengo RCD y protectores contra sobretensiones?
No. La puesta a tierra es la base. Los diferenciales (RCD) detectan el desequilibrio de corriente comparando la fase y el neutro; necesitan una referencia a tierra para funcionar. Los protectores contra sobretensiones desvían el exceso de tensión a tierra; sin un sistema de puesta a tierra adecuado, no tienen a dónde enviar la energía. Los tres trabajan juntos.
P: ¿Un protector contra sobretensiones evitará una descarga eléctrica?
No. Los protectores contra sobretensiones abordan los daños a los equipos causados por picos de tensión, no la seguridad del personal. Si alguien toca un conductor con corriente, el protector contra sobretensiones no reaccionará porque no hay una sobretensión, sino una corriente normal que toma un camino no deseado a través de una persona. Eso es lo que previenen los RCD.
P: ¿Necesito RCD de tipo B para todas las instalaciones industriales?
No todos, pero cada vez más comunes. Los diferenciales de tipo B son obligatorios para cargas que pueden producir corrientes de fuga de CC: cargadores de vehículos eléctricos, inversores solares, variadores de frecuencia y sistemas de frenado regenerativo. Para cargas resistivas e inductivas estándar, el tipo A es suficiente. Consulte la norma IEC 60204-1 para los requisitos de la maquinaria.
P: ¿Cómo sé cuándo usar SPD de tipo 1 frente a tipo 2?
La ubicación de la instalación determina esto. El Tipo 1 se instala en la entrada principal de servicio si tiene protección externa contra rayos o se encuentra en un área de alta exposición. El Tipo 2 se instala en paneles de distribución y subpaneles; este es el SPD industrial más común. Utilice ambos en protección coordinada para una cobertura integral.
P: ¿Pueden los RCD causar disparos intempestivos en grandes instalaciones?
Sí, si la sensibilidad es demasiado alta. Las grandes instalaciones tienen una corriente de fuga acumulativa procedente de la capacitancia del cable y los circuitos de filtro. Para un panel industrial de 400 A, especifique RCD de 300 mA para protección contra incendios en lugar de 30 mA. Utilice 30 mA solo para los circuitos finales con riesgo de contacto directo con el personal. Los RCD de tipo S con retardo de tiempo evitan disparos intempestivos por fugas transitorias.
P: ¿Cuál es la diferencia entre la conexión a tierra y la conexión equipotencial?
La puesta a tierra conecta su sistema eléctrico a tierra. La conexión equipotencial une todas las partes metálicas no conductoras de corriente (envolventes, canalizaciones, acero estructural) para eliminar diferencias de potencial peligrosas. Ambas son obligatorias. El Artículo 250 del NEC cubre ambas; la norma IEC 60364-5-54 aborda la conexión equipotencial específicamente.
Conclusión
La seguridad eléctrica no es un único dispositivo o requisito del código, es un sistema donde la conexión a tierra, la protección GFCI/RCD y la protección contra sobretensiones funcionan como capas complementarias. Cada uno aborda modos de fallo específicos que los demás no pueden prevenir.
La conexión a tierra proporciona la base: una trayectoria de corriente de fallo, una referencia de tensión y la infraestructura esencial para que funcionen otros dispositivos de protección. Los RCD salvan vidas al detectar fugas de corriente en milisegundos, protegiendo al personal de los riesgos de descarga que la conexión a tierra por sí sola no puede prevenir. Los protectores contra sobretensiones protegen las inversiones en equipos de las sobretensiones transitorias que de otro modo destruirían los componentes electrónicos sensibles.
Al especificar la protección eléctrica para instalaciones industriales o comerciales, la pregunta no es “¿cuál?”, sino “¿cómo integro los tres?”. Diseñe para una protección coordinada: una conexión a tierra adecuada según el artículo 250 de la NEC o la norma IEC 60364, RCD en circuitos con riesgo de descarga según la norma IEC 61008/61009 y coordinación de SPD multietapa según la norma IEC 61643-11.
En VIOX Electric, fabricamos RCD de grado industrial, dispositivos de protección contra sobretensiones y soluciones de protección completas diseñadas para funcionar en conjunto. Nuestro equipo técnico puede ayudarle a especificar la combinación adecuada para su aplicación, garantizando el cumplimiento de las normas internacionales y protegiendo tanto al personal como a los equipos.
