Tripping Out: una guía de campo para la protección de circuitos

Jul 20, 2023

Mi introducción a la protección de circuitos llegó a la tierna edad de ocho años. Siendo un muchacho curioso con una inclinación inventiva y aparentemente autodestructiva, decidí hacer una lámpara para mi madre. Coloqué una abrazadera de manguera alrededor de la base de una pequeña bombilla, quité el aislamiento de un cable de extensión viejo y atasqué ambos extremos de los cables debajo de la abrazadera. Cuando conecté mi invento a un tomacorriente en el estudio, vi que el aislamiento se despegó del cable justo antes de que toda la casa se quedara a oscuras. De alguna manera, el disyuntor del circuito derivado falló y disparé el disyuntor principal en un panel de 200 amperios. Mi madre nunca ha estado tan impresionada con esta hazaña como yo, especialmente ahora que sé un poco más sobre cómo funciona la electricidad y lo cerca que estuve de ser ganador del Premio Darwin.

Para ayudarlo a evitar un destino similar, me gustaría llevarlo a un viaje (¡je, je!) a través del típico panel de alimentación doméstico y ver algunos de los dispositivos que están listos todos los días, esperando la oportunidad de salvarnos de nosotros mismos. Como norteamericano, me centraré en los estándares del sistema de energía residencial más comunes por aquí. Y aunque hay mucha tecnología diseñada para mantenerlo a salvo como último recurso, la electricidad en su pared aún puede matarlo. ¡No se vuelva casual con la corriente principal!

Lo que me salvó ese día lejano fue un disyuntor. En su forma más simple, un disyuntor es solo un dispositivo electromecánico diseñado para proteger los circuitos apagando el jugo cuando la corriente que fluye a través de él supera el punto de diseño. Los interruptores deben detectar el flujo de corriente y convertirlo en acción mecánica para que los contactos puedan separarse físicamente de forma rápida y segura. El mecanismo más común es el electromagnético, donde más sobrecorriente crea un campo magnético para separar los contactos, y el bimetálico, donde una sobrecarga calienta una tira bimetálica y la dobla, activando el interruptor.

Los interruptores residenciales en América del Norte vienen en un par de sabores diferentes. Los disyuntores de circuito derivado se utilizan para proteger cada circuito derivado: los tomacorrientes, los artefactos de iluminación y los electrodomésticos que están conectados en paralelo al panel principal. Cada circuito derivado generalmente tiene una capacidad nominal de 15 o 20 amperios y, a menos que esté ejecutando una carga grande como una secadora eléctrica o una bomba de pozo, será un circuito de 120 voltios. Además de los interruptores de derivación, un panel tendrá un interruptor principal para detectar cualquier falla que pase por alto un interruptor de derivación defectuoso, como me pasó a mí. Por lo general, es un asunto de 4 polos: uno para cada línea viva, uno para neutral y otro para tierra. Un interruptor principal también actúa como un interruptor para desenergizar todos los circuitos derivados, lo que hace que sea más seguro trabajar en el panel, ¡pero tenga cuidado con las lengüetas que alimentan el interruptor principal! Esos siempre están calientes, y el próximo interruptor en la línea probablemente sea un gran seccionador en un poste de energía.

Los paneles de interruptores principales por aquí tienen una disposición interesante que permite circuitos de 120 y 240 voltios. La energía se distribuye en un arreglo de fase dividida, donde el transformador en el poste tiene un devanado secundario de 240 voltios con derivación central. Esto da como resultado dos tramos calientes cada uno a 120 voltios en relación con el neutro, o 240 voltios entre los dos calientes. Dentro del panel de distribución, los dos puntos calientes están conectados a barras colectoras con dedos que se entrelazan. Esto permite la instalación de interruptores unipolares, que están conectados a una sola rama activa de 120 voltios, o interruptores bipolares, que unen las dos patas activas para un circuito de 240 voltios.

Si alguna vez se encuentra con un problema en el que todos los demás circuitos unipolares de su panel funcionan y ninguno de los circuitos de 240 voltios funciona en absoluto, sabrá que una de las patas calientes no está energizada por algún motivo. Probablemente querrá llamar a la compañía eléctrica en este caso.

El primer día de un curso de laboratorio de EE en la universidad, el instructor nos dio una conferencia sobre seguridad aleccionadora titulada "Es la corriente la que mata". Las cifras que citó sobre la poca corriente que en realidad se necesita para matar me asombraron: ¿cómo no había recibido al menos 30 miliamperios de infarto en algún momento con las diversas descargas de voltaje de línea que había experimentado? Resulta que probablemente recibí mucha menos corriente que eso, y que probablemente no pasó por mi corazón, pero aún así, es bueno saber que muchos circuitos en un panel de servicio residencial moderno están protegidos por interruptores de circuito de falla a tierra. Conocidos como GFCI o GFI en los Estados Unidos y dispositivos de corriente residual (RCD) en el Reino Unido, estos dispositivos son capaces de cortar el flujo de corriente si hay una fuga de tan solo 5 mA de la línea viva. Y lo hace muy rápido, entre 25 y 40 milisegundos, que es menos tiempo que el que tarda una corriente de 30 mA en poner un corazón humano en fibrilación ventricular.

Los GFCI funcionan detectando los desequilibrios de corriente entre dos conductores mediante un transformador de corriente. Tanto el conductor vivo como el neutro pasan por el toroide del transformador de corriente. Normalmente, las corrientes se anulan entre sí, pero si hay un desequilibrio debido a una fuga, se induce una corriente en el transformador que puede usarse para disparar un interruptor automático electromagnético. Que haya un chip para encargarse de la mayor parte de la detección y activación no es sorprendente; lo inesperado es la fascinante historia de cómo surgió el primer chip GFCI, el LM1851, a mediados de la década de 1970. Alerta de spoiler: muchos estudiantes de posgrado se electrocutaron durante la fabricación del primer GFCI.

En los EE. UU., los GFCI son requeridos por código en cualquier lugar donde exista la más mínima posibilidad de que se mezclen el agua y la electricidad. Originalmente destinados a salidas de baño y cocina, los GFCI ahora también se encuentran en sótanos, garajes y en cualquier salida al aire libre, especialmente para piscinas y spas. Si bien el factor de forma más común para los GFCI está integrado en un tomacorriente dúplex, algunos disyuntores tienen GFCI incorporados. Y, por supuesto, están los GFCI de verrugas de pared que ahora surgen de los cables de alimentación de todos los secadores de cabello y rizadores fabricados.

Una modalidad de protección de circuito más reciente es el interruptor de circuito por falla de arco (AFCI). Diseñados para prevenir incendios debido a arcos de alta temperatura, los códigos AFCI han sido requeridos desde principios de la década de 2000 para los circuitos derivados que dan servicio a los dormitorios. Los primeros AFCI estaban sujetos a disparos molestos de arcos "normales", como los cepillos en el motor de una aspiradora. A medida que la tecnología mejoró y se redujeron los disparos molestos, los requisitos del código se reescribieron para que ahora se requieran AFCI en todos los circuitos derivados, que dan servicio a casi todas las habitaciones de la casa.

Si bien los AFCI detectan anomalías actuales como lo hacen los GFCI, las similitudes prácticamente terminan ahí. Los AFCI también necesitan monitorear el voltaje y analizar la forma de onda del circuito bajo monitoreo en busca de signos reveladores de que se está produciendo un arco potencialmente destructivo. Además de reconocer los arcos entre la línea activa y el neutro o tierra, los AFCI necesitan detectar arcos en serie, lo que puede ocurrir cuando un cable activo se suelta dentro de una terminal suelta. Todos estos arcos tienen formas de onda características que un microcontrolador analiza para determinar si existe una falla mientras ignora los arcos de los equipos que funcionan normalmente. Es algo complicado, y no es de extrañar que los fabricantes tardaran un tiempo en hacerlo bien. Se puede encontrar un buen tratamiento de los detalles de los algoritmos de detección en este documento (enlace PDF).

Por supuesto, hay muchos otros dispositivos que funcionan para mantener limpio el suministro eléctrico, como protectores contra sobretensiones, filtros de ruido y UPS. Pero estos son principalmente para mantener sus dispositivos saludables y felices. Los disyuntores, los GFCI y los AFCI son equipos de seguridad personal, ya sea para proteger la estructura que lo rodea de un incendio o para evitar que muchos Angry Pixies lo muerdan cuando se le cae el secador de pelo en el inodoro. Pero recuerda que son la última línea de defensa: al final del día, depende principalmente de ti asegurarte de no hacer algo tan tonto como lo hice yo hace mucho tiempo.