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Falla a tierra vs. cortocircuito: ¿cuál es la diferencia?
Falla a tierra vs. cortocircuito: cómo ocurre cada falla eléctrica, por qué son peligrosas y cómo los GFCI y AFCI previenen descargas e incendios.
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Contenido
Un cortocircuito es una corriente que fluye entre dos conductores del circuito, de fase a neutro o de fase a fase, por una trayectoria no intencional de baja resistencia. Una falla a tierra es una corriente que fluye de un conductor de fase a tierra: a un metal puesto a tierra, al terreno o a una persona. El principal peligro de un cortocircuito es la corriente extrema, el calor y el incendio. El principal peligro de una falla a tierra es la descarga eléctrica, a menudo con corrientes demasiado pequeñas para disparar un interruptor. Los interruptores termomagnéticos y los fusibles eliminan los cortocircuitos; los interruptores de circuito por falla a tierra (GFCI) protegen a las personas contra las fallas a tierra.
A continuación explicamos cómo ocurre cada falla, cómo distinguirlas y cómo prevenir ambas.
Muchas de estas fallas se originan en la forma en que se instaló el cableado. Nuestra publicación sobre instalaciones ejecutadas de manera profesional según el NEC 2023 cubre el estándar al que ahora apunta el código.
¿Qué es una falla a tierra?
Una falla a tierra es un tipo de falla eléctrica que ocurre cuando una corriente eléctrica se escapa de su trayectoria prevista y fluye hacia la tierra a través de un conductor no intencional. Esto puede suceder cuando un cable eléctrico está dañado, expuesto o mojado, y entra en contacto con un objeto metálico, una persona o la tierra. Una falla a tierra puede causar una descarga eléctrica, un incendio o daños en el sistema eléctrico. Dispositivos como los interruptores de circuito por falla a tierra (GFCI, por sus siglas en inglés) están diseñados para detectar fallas a tierra y cortar la energía para prevenir daños.
¿Qué es un cortocircuito?
Un cortocircuito es otro tipo de falla eléctrica. En un cortocircuito, la corriente se desvía de su trayectoria prevista y regresa directamente a la fuente de alimentación a través de una conexión no intencional entre dos conductores del circuito, como los cables de fase y neutro. Esto puede ocurrir cuando dos cables se tocan y crean una trayectoria de baja resistencia para la corriente. Un cortocircuito puede provocar una chispa, un incendio o daños en el sistema eléctrico. La señal habitual es un interruptor termomagnético que se dispara al instante, a menudo con una chispa o un olor a quemado. Cuando eso ocurra, haga que localicen y reparen la falla lo antes posible.
La corriente que puede alcanzar un cortocircuito depende del sistema que lo alimenta. Nuestra calculadora de corriente de falla disponible da una primera estimación en un tablero, y un análisis de cortocircuitos compara cada interruptor y fusible con ese valor.
¿Cuál es la diferencia entre una falla a tierra y un cortocircuito?
En un cortocircuito, la corriente salta de un conductor del circuito a otro (de fase a neutro, o de fase a fase). En ese caso, el principal peligro es la corriente extrema, junto con el calor y el incendio que pueden derivarse. En una falla a tierra, la corriente escapa del circuito hacia metal puesto a tierra, agua o una persona. Por eso, el principal peligro es la descarga eléctrica.
| Aspecto | Falla a tierra | Cortocircuito |
|---|---|---|
| Ruta de falla | Conductor vivo a metal conectado a tierra, a tierra o a una persona (la corriente sale del circuito) | Conductor vivo a neutro o a otro vivo (conductor a conductor) |
| Peligro principal | Descarga eléctrica, incluso con corrientes muy por debajo del punto de disparo de un interruptor automático | Corriente muy alta, calor intenso, formación de arco eléctrico e incendio |
| Dispositivo que lo atrapa | GFCI, que detecta un desequilibrio de corriente de tan solo unos pocos miliamperios | Interruptor termomagnético o fusible, más un AFCI contra arcos por cableado dañado |
| Señal típica | Un tomacorriente o interruptor GFCI se dispara, a menudo cerca del agua | Un interruptor automático se dispara instantáneamente, a menudo con una chispa o un olor a quemado |
| En el NEC | Definida en el artículo 100; NEC 250.4(A)(5) exige una trayectoria efectiva para la corriente de falla a tierra | Falla de línea a línea o de línea a neutro, aunque técnicamente una falla a tierra es un tipo de cortocircuito |
A veces se dice que ambas difieren en la dirección en que fluye la corriente, pero en los dos casos la corriente regresa a su fuente. Lo que cambia es la trayectoria que sigue para regresar. El artículo 100 del NEC define una falla a tierra como una conexión eléctricamente conductora no intencional entre un conductor no puesto a tierra y los conductores que normalmente no transportan corriente, las envolventes metálicas, las canalizaciones, los equipos o la tierra. En una falla a tierra, la corriente regresa por el conductor de puesta a tierra de los equipos y por el metal con unión equipotencial, por lo que esa trayectoria debe ser de baja impedancia. NEC 250.4(A)(5) establece que la tierra no debe considerarse una trayectoria efectiva para la corriente de falla a tierra. En un cortocircuito de línea a línea o de línea a neutro, la corriente regresa por un segundo conductor del circuito. En sentido estricto, una falla a tierra es un tipo de cortocircuito. La diferencia práctica es que una falla a tierra puede poner a una persona en la trayectoria de retorno con niveles de corriente muy inferiores al umbral de disparo de un interruptor. Por eso la protección GFCI detecta, en cambio, el desequilibrio de corriente. Las dos fallas también ponen en riesgo cosas distintas. Una falla a tierra puede ser más peligrosa para las personas y los animales, porque pueden convertirse en parte de la trayectoria de la corriente y recibir una descarga. Un cortocircuito puede ser más peligroso para el sistema eléctrico, porque puede generar mucho calor e iniciar un incendio.
¿Cómo prevenir las fallas a tierra y los cortocircuitos?
La mejor manera de prevenir las fallas a tierra y los cortocircuitos es instalar y mantener un cableado eléctrico y unos dispositivos adecuados. Algunos de los dispositivos que pueden ayudar a prevenir estas fallas son:
- Interruptores de circuito por falla a tierra (GFCI): Son dispositivos que detectan las fallas a tierra y cortan la alimentación del circuito afectado. Suelen instalarse en enchufes o disyuntores que están cerca de fuentes de agua, como baños, cocinas, lavaderos, garajes y exteriores. Los GFCI tienen botones de prueba y reinicio que le permiten comprobar su funcionamiento y restablecer la corriente si se disparan.
- Interruptores de circuito por falla de arco (AFCI): Se trata de dispositivos que detectan las fallas de arco, que son chispas o destellos que se producen cuando los cables están dañados o sueltos. Las fallas de arco pueden provocar fallas a tierra o cortocircuitos, así como incendios. Los AFCI suelen instalarse en los disyuntores que protegen el cableado de dormitorios, salones, comedores y otras zonas en las que es probable que se produzcan fallas de arco. Los AFCI tienen botones de prueba y reinicio que le permiten comprobar su funcionamiento y restablecer la alimentación si se disparan.
- Enchufes GFCI: Son tomas de corriente que llevan incorporados los GFCI. Se utilizan para sustituir a las tomas de corriente estándar en zonas donde se requieren o recomiendan los GFCI. Disponen de botones de prueba y reinicio que le permiten comprobar su funcionamiento y restablecer la alimentación si se disparan.
¿Cómo funcionan los GFCI?
Un GFCI controla el flujo de electricidad en un circuito y compara la cantidad de corriente que entra y sale de un aparato o dispositivo. En condiciones normales, la corriente debería estar equilibrada y ser igual. Sin embargo, si hay una falla a tierra, como un cable deshilachado que toca un objeto metálico o una persona que entra en contacto con un cable con corriente, parte de la corriente escapará del circuito y tomará un camino alternativo hacia la tierra. Esto crea un desequilibrio en el flujo de corriente, que el GFCI detecta y al que responde.
Cuando el GFCI detecta una falla a tierra, corta rápidamente la energía del circuito. Un GFCI Clase A, el tipo que se usa en viviendas, está diseñado para dispararse cuando la fuga llega a unos 5 miliamperes (entre 4 y 6 mA), y puede reaccionar en apenas 1/40 de segundo. No protege contra sobrecargas ni cortocircuitos; de eso se encargan los fusibles y los interruptores termomagnéticos. Además, ningún fusible, interruptor termomagnético ni GFCI puede detectar una descarga en la que la corriente pasa a través de una persona del conductor de fase al neutro, porque para el dispositivo esa corriente parece una carga normal. Un GFCI está hecho para fallas de línea a tierra. Detecta la corriente que se fuga del circuito a tierra, ya sea a través de una persona, una superficie mojada o un conductor dañado, y abre el circuito antes de que la fuga alcance un nivel peligroso.
Para asegurarse de que el GFCI funciona correctamente, se recomienda probarlo mensualmente siguiendo estos pasos:
- Conecte una lámpara u otro aparato al contacto GFCI y enciéndalo.
- Presione el botón de prueba (TEST) del contacto GFCI. La energía debe cortarse y la lámpara o el aparato debe apagarse.
- Presione el botón de restablecimiento (RESET). La energía debe volver y la lámpara o el aparato debe encenderse.
- Si el GFCI no responde como se describe, puede estar defectuoso y debe reemplazarlo un electricista calificado.
¿Cómo funcionan los AFCI?
A diferencia de los GFCI, que protegen contra fallas a tierra, los interruptores de circuito por falla de arco (AFCI) protegen contra fallas por arco: chispas en cableado y cordones dañados, deshilachados, flojos o sobrecalentados. El arqueo puede encender materiales cercanos y es una causa común de incendios eléctricos.
Los AFCI funcionan detectando los patrones característicos de corriente y voltaje que indican una falla por arco. Monitorean el circuito eléctrico de forma constante y lo comparan con una forma de onda normal. Si detectan una anomalía, como un aumento o una caída repentina de la corriente o del voltaje, o un ruido de alta frecuencia, interrumpen el suministro eléctrico e impiden que la falla por arco continúe.
La protección AFCI suele proporcionarse mediante un interruptor AFCI de tipo combinado en el tablero, que protege todo el circuito derivado. También existen contactos AFCI tipo OBC (outlet branch circuit), que protegen el cableado aguas abajo del contacto.
¿Dónde se requieren GFCI y AFCI?
El Código Eléctrico Nacional (NEC) establece dónde se requiere protección GFCI y AFCI. Los lugares donde es obligatoria se han ampliado en casi cada edición, y los estados y ciudades adoptan las nuevas ediciones según sus propios calendarios, así que siempre verifique la edición vigente en su jurisdicción.
En las ediciones recientes (2020 y 2023), se requiere protección GFCI en unidades de vivienda para contactos de 125 a 250 volts en circuitos monofásicos de 150 volts o menos a tierra, en lugares como:
- Baños, cocinas y áreas de lavado
- Cocheras y construcciones accesorias, sótanos y espacios de poca altura bajo el piso
- Exteriores y casetas para embarcaciones
- A menos de 6 pies del borde exterior de un lavabo, tina o regadera
- Lugares húmedos y mojados en interiores
Se requiere protección AFCI en los circuitos derivados monofásicos de 120 volts, de 15 y 20 amperes, que alimentan salidas o dispositivos en la mayoría de las áreas habitables de una vivienda:
- Cocinas, salas familiares, comedores, salas de estar, recibidores, bibliotecas y estudios
- Recámaras, solarios y salas de juegos
- Clósets, pasillos y áreas de lavado, y habitaciones o áreas similares
- Unidades de dormitorio y algunas habitaciones para huéspedes y áreas de descanso de pacientes
Calculadora de corriente de falla disponible
Estime la corriente de falla disponible en un transformador y al final de un tramo de cable con el método punto a punto de Bussmann, y luego compárela con la capacidad del interruptor, fusible o tablero que está ahí. Elija un inicio rápido o ingrese su propio sistema; el resultado se actualiza mientras escribe.
La calculadora necesita JavaScript. El método y los valores C que usa aparecen abajo.
Inicio rápido Llena el formulario. Después puede cambiar cualquier dato.
Resultado
Por encima de la capacidad del dispositivo
Estimación preliminar: 17,349 A (17.3 kA) en el secundario del transformador y 14,163 A (14.2 kA) al final del tramo 1. Amperes simétricos eficaces (RMS); se supone una fuente infinita.
- Corriente de falla disponible en el dispositivo
- 14.2 kA
- En el secundario del transformador
- 17.3 kA
- Capacidad interruptiva
- 10 kA
- Capacidad interruptiva de 10 kA: por encima de la capacidad. Hay 14.2 kA disponibles en el dispositivo.
Siguiente paso
Estimación preliminar. No es un valor para un marcado en campo, una etiqueta de equipo ni para decidir si un equipo sigue en servicio. Los estudios de cortocircuito y de coordinación de protecciones dan valores con los que puede actuar, o pregunte a un ingeniero.
Resultados completos y pasos
| Ubicación | Corriente de falla disponible |
|---|---|
| Secundario del transformador | 17,349 A |
| Final del tramo 1 (20 pies) | 14,163 A |
Estimar la energía incidente de arco eléctrico con este valor Este valor tiende a la corriente más alta, pero no es un límite superior; un estudio de arco eléctrico también revisa corrientes menores, que pueden tardar más en liberarse.
- Paso 1, corriente de plena carga del transformador: 112.5 × 1000 / (208 × 1.732) = 312.3 A
- Paso 2, multiplicador: 100 / (2 × 0.9) = 55.556
- Paso 3, disponible en el secundario del transformador con una fuente infinita: 312.3 × 55.556 = 17,349 A
- Tramo 1: 20 pies de 3/0 AWG de cobre, 1 por fase, tres conductores individuales, tubo conduit de acero, clase 600 V, por lo tanto C = 12,844
- Paso 4: f = 1.732 × 20 × 17,349 / (12,844 × 1 × 208) = 0.2249
- Paso 5: M = 1 / (1 + 0.2249) = 0.8164
- Paso 6, disponible al final del tramo 1: 17,349 × 0.8164 = 14,163 A
Notas
- Fuente infinita: el cálculo supone corriente de falla ilimitada en el primario del transformador, como lo hace el manual por defecto. Eso da la corriente más alta en el secundario; una fuente real da algo menos.
- %Z × 0.9: los transformadores listados UL 1561 de 25 kVA o más tienen una tolerancia de impedancia de ±10 %, por lo que el manual multiplica el %Z por 0.9 para el caso más alto (el peor). Los transformadores fabricados según normas ANSI tienen una tolerancia de ±7.5 % (dos devanados).
- No se incluye contribución de motores. Los motores en operación también alimentan la falla, aproximadamente de 4 a 6 veces su corriente de plena carga.
- Los valores C provienen de la tabla 4 de Bussmann: uno entre la impedancia del conductor por pie, con base en datos de IEEE 241 e IEEE 242.
- El método punto a punto suma las magnitudes de las impedancias sin considerar sus ángulos. Los transformadores son principalmente reactancia y los conductores de calibre pequeño principalmente resistencia, así que un estudio que suma resistencia y reactancia por separado puede encontrar más corriente que esta estimación, sobre todo en conductores pequeños cerca de un transformador grande.
- La tensión de la compañía suministradora puede estar 10 % alta en servicios de fuerza (5.8 % en servicios de alumbrado de 120 V). Para el caso más alto el manual multiplica el valor del paso 3 por 1.1 (o 1.058); aquí no se aplica.
- Los valores se muestran redondeados; el cálculo conserva la precisión completa, así que recalcular con los números redondeados puede diferir en uno o dos amperes.
- Esta es una estimación preliminar, no un valor para una marca en campo ni para una etiqueta de equipo.
¿Necesita un valor en el que pueda confiar?
Los ingenieros profesionales con licencia de Dreiym realizan estudios de cortocircuito y revisiones de coordinación de protecciones a partir de los datos de su compañía suministradora, las capacidades de sus equipos y sus cédulas de conductores, con sello de PE cuando se requiere.
Seguridad y límites
Marcado en campo, NEC 110.24: Excepto en unidades de vivienda, la sección 110.24 del NEC (Estados Unidos) exige marcar en campo el equipo de acometida con la corriente de falla disponible y la fecha en que se hizo el cálculo, y el cálculo debe documentarse y ponerse a disposición de quienes están autorizados para diseñar, instalar, inspeccionar, mantener u operar el sistema. Cuando una modificación de la instalación cambia la corriente de falla disponible en la acometida, por ejemplo al reemplazar el transformador de servicio, el valor debe verificarse o recalcularse y la marca debe actualizarse. Quedan exentas las instalaciones industriales donde solo personas calificadas dan servicio al equipo. Verifique qué edición del NEC aplica su autoridad competente.
Son valores simétricos de falla franca (sólida), del tipo que un estudio de cortocircuito compara con las capacidades interruptivas y las capacidades de corriente de cortocircuito de los equipos (NEC 110.9 y 110.10). No use esta estimación para esa comparación: las capacidades aplican a condiciones de prueba específicas, que un estudio verifica. Para la corriente de arco y la energía incidente, el enlace de arco eléctrico de arriba da una estimación preliminar con este valor.
Herramienta de evaluación preliminar: Estimación preliminar con fines educativos y de planificación. No es un estudio de ingeniería, no sustituye un análisis realizado por un ingeniero profesional con licencia y no sirve para etiquetar equipos ni para tomar decisiones de seguridad.
Cómo funciona el método punto a punto
- Paso 1. Corriente de plena carga del transformador: trifásico I = kVA × 1000 / (E × 1.732); monofásico I = kVA × 1000 / E.
- Paso 2. Multiplicador = 100 / %Z. Para el caso más alto el manual usa %Z × 0.9, porque los transformadores UL 1561 de 25 kVA o más tienen una tolerancia de impedancia de ±10 %.
- Paso 3. Corriente disponible en el secundario del transformador = corriente de plena carga × multiplicador, con una fuente infinita.
- Paso 4. f = 1.732 × L × I / (C × n × E) para fallas trifásicas y f = 2 × L × I / (C × n × E) para fallas monofásicas. L es la longitud en un sentido en pies, I la corriente al inicio del tramo, C la constante de la tabla, n los juegos en paralelo y E la tensión entre líneas (la tensión de línea a neutro para fallas de línea a neutro).
- Paso 5. M = 1 / (1 + f).
- Paso 6. Corriente al final del tramo = I × M. La contribución de motores, cerca de 4 × la corriente de plena carga de los motores en operación, se suma en cada punto.
- Corriente de falla de la compañía suministradora conocida en el primario (trifásico): f = Ip × Ep × 1.732 × %Z / (100,000 × kVA), M = 1 / (1 + f), y la corriente del secundario = Ep / Es × M × Ip.
- Transformadores monofásicos con derivación central: corriente de línea a neutro en las terminales = 1.5 × la corriente de línea a línea.
Valores C para conductores clase 600 V
| Calibre | Tres conductores individuales | Cable de tres conductores | ||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Cobre, acero | Cobre, no magnético | Aluminio, acero | Aluminio, no magnético | Cobre, acero | Cobre, no magnético | Aluminio, acero | Aluminio, no magnético | |
| 14 AWG | 389 | 389 | 237 | 237 | 389 | 389 | 237 | 237 |
| 12 AWG | 617 | 617 | 376 | 376 | 617 | 617 | 376 | 376 |
| 10 AWG | 981 | 982 | 599 | 599 | 982 | 982 | 599 | 599 |
| 8 AWG | 1,557 | 1,559 | 951 | 952 | 1,559 | 1,560 | 952 | 952 |
| 6 AWG | 2,425 | 2,430 | 1,481 | 1,482 | 2,431 | 2,433 | 1,482 | 1,482 |
| 4 AWG | 3,806 | 3,826 | 2,346 | 2,350 | 3,830 | 3,838 | 2,351 | 2,353 |
| 3 AWG | 4,774 | 4,811 | 2,952 | 2,961 | 4,820 | 4,833 | 2,963 | 2,966 |
| 2 AWG | 5,907 | 6,044 | 3,713 | 3,730 | 5,989 | 6,087 | 3,734 | 3,740 |
| 1 AWG | 7,293 | 7,493 | 4,645 | 4,678 | 7,454 | 7,579 | 4,686 | 4,699 |
| 1/0 AWG | 8,925 | 9,317 | 5,777 | 5,838 | 9,210 | 9,473 | 5,852 | 5,876 |
| 2/0 AWG | 10,755 | 11,424 | 7,187 | 7,301 | 11,245 | 11,703 | 7,327 | 7,373 |
| 3/0 AWG | 12,844 | 13,923 | 8,826 | 9,110 | 13,656 | 14,410 | 9,077 | 9,243 |
| 4/0 AWG | 15,082 | 16,673 | 10,741 | 11,174 | 16,392 | 17,483 | 11,185 | 11,409 |
| 250 kcmil | 16,483 | 18,594 | 12,122 | 12,862 | 18,311 | 19,779 | 12,797 | 13,236 |
| 300 kcmil | 18,177 | 20,868 | 13,910 | 14,923 | 20,617 | 22,525 | 14,917 | 15,495 |
| 350 kcmil | 19,704 | 22,737 | 15,484 | 16,813 | 22,646 | 24,904 | 16,795 | 17,635 |
| 400 kcmil | 20,566 | 24,297 | 16,671 | 18,506 | 24,253 | 26,916 | 18,462 | 19,588 |
| 500 kcmil | 22,185 | 26,706 | 18,756 | 21,391 | 26,980 | 30,096 | 21,395 | 23,018 |
| 600 kcmil | 22,965 | 28,033 | 20,093 | 23,451 | 28,752 | 32,154 | 23,633 | 25,708 |
| 750 kcmil | 24,137 | 29,735 | 21,766 | 25,976 | 31,051 | 34,605 | 26,432 | 29,036 |
| 1000 kcmil | 25,278 | 31,491 | 23,478 | 28,779 | 33,864 | 37,197 | 29,865 | 32,938 |
Fuentes
Fuentes: Eaton, manual Bussmann series Selecting Protective Devices, edición 2018 (sección 4.1: método punto a punto, ejemplos resueltos, tabla 4.1.7.6.a de valores C); capítulos de cálculo de corriente de cortocircuito de Cooper Bussmann (2005) y Eaton (2014); NFPA 70, National Electrical Code, 110.24; ANSI C84.1, tabla 1 de tensiones nominales de sistema; NIST SP 811 (1 pie = 0.3048 m).
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Dreiym Engineering. Calculadora de corriente de falla disponible. Método: punto a punto. https://www.dreiym.com/es/calculadora-de-corriente-de-falla-disponible/
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Fallas a tierra y cortocircuitos son tipos comunes de fallas eléctricas que pueden causar descargas, incendios y daños en el sistema eléctrico. Pueden prevenirse instalando y manteniendo un cableado eléctrico y unos dispositivos adecuados, como los GFCI y los AFCI. El NEC proporciona directrices sobre dónde se requieren o recomiendan estos dispositivos para garantizar la seguridad y el cumplimiento de las normas. Siguiendo estas directrices, puede protegerse a sí mismo, a su familia y a su propiedad de los peligros de las fallas a tierra y los cortocircuitos. Para asegurarse de que su instalación esté protegida, siempre debe consultar a un ingeniero profesional con licencia (PE).