¿Por qué no siempre estamos aislando el suministro de red?

El sistema eléctrico que utilizamos se diseñó hace casi 100 años y se modernizó muy poco. La conexión a tierra y la conexión eran necesarias para fundir los fusibles en caso de cortocircuito en un recinto o tierra. La conexión a tierra era una opción razonable entonces, y hoy es inaceptable.

El cambio para hacer que sea más seguro no va a suceder, debido a la idea errónea de que la conexión a tierra es una condición esencial. Está demasiado atrincherado. Los electricistas están horrorizados de cualquier cambio, y durante años se les enseñó que la puesta a tierra salva vidas.

La conexión a tierra y la unión es en realidad la mayor causa de las electrocuciones.

Pero no todos los circuitos están conectados a tierra. El delta industrial de 3 fases en América del Norte no está conectado a tierra, y es potencialmente más seguro.

Lo que deberíamos haber tenido hasta ahora es:

Circuito aislado por un transformador, conectado a tierra a través de una alta resistencia y monitoreado en busca de fugas. Este sistema ya existe, pero la intención principal no es proteger a las personas, sino eliminar el arco fase a tierra.

Por ejemplo, actualmente la superficie de una estufa eléctrica está conectada a un conductor de unión, que está conectado en el panel a un neutro, que va a un transformador. La superficie de la estufa está conectada a una pata de un transformador. El neutro está conectado a tierra en el transformador y en un edificio, pero esos terrenos no son muy buenos. Típicamente al menos 5 a 10 Ohm. La conexión sólida es al transformador.

Por eso, tocar la estufa y la fase puede ser letal.

Así es como se hace ahora en EE. UU. y Canadá  Aquíhayunamejorsolución.Seusaríaundisyuntordefallaatierra.Unapersonaquetocatierrayuncablevivotendríaunacorrientelimitadaquelosatraviesa,yelinterruptordecircuitodesconectaríalaalimentación.Estesistemanoprotegedelíneaalíneadechoque. La detección de resistencia funciona según el principio de una caída de voltaje, la resistencia también limita la corriente de falla a un nivel seguro. La falla a tierra funciona según un principio de magnetismo y compara la corriente en los cables entrantes. Si una corriente es más alta, se apaga.

La gran mayoría de las personas solo se ponen en contacto con la electricidad a través de un aparato, herramienta u otro dispositivo. Si conecta el neutro a tierra y a tierra todos los dispositivos, es probable que un disyuntor se dispare si la resistencia de tierra es lo suficientemente baja. Si aislara el neutro, no lo sabría a menos que toque el neutro o el neutro entre en contacto con la tierra accidentalmente, en cuyo caso recibe la descarga, no el disyuntor. La primera opción sigue siendo la más segura.

Esta es también la razón por la que en muchos países la resistencia de la tierra debe estar por debajo de un cierto valor antes de obtener la certificación.

La única excepción son los dispositivos y herramientas con doble aislamiento que se construyen de tal manera que el gabinete nunca se vuelva activo. Estos dispositivos no deben conectarse a tierra de ninguna manera porque eso aumentaría de nuevo el riesgo de descarga eléctrica si el cable a tierra se conectara a través de otro equipo que pudiera fugarse accidentalmente.

Al no conectar la toma de tierra al neutro, está permitiendo que la tensión de línea de la pared "flote". Es decir, aunque la línea caliente y neutral siempre será de 120 VCA entre sí, no hay nada que les impida elevarse por encima del potencial del suelo. La figura del palo a la derecha tendrá un impacto desagradable si la línea está flotando muy por encima del suelo, lo cual es ciertamente posible (¡me ha pasado! Aunque el mecanismo es diferente, vea mi pregunta aquí: Connecting center- transformador conectado a tierra, o ¿por qué me están electrocutando? ).

editar: la figura está tocando el cable vivo! Yo no vi eso. Él va a ser golpeado incluso si te conectas neutral a la Tierra. Pero si no te conectas de forma neutral con la Tierra, tocarla puede hacerte daño. Además, la mayoría de las cosas que se conectan a la pared están "conectadas a tierra" a través del pasador neutral. ¡Si está flotando, puede electrocutarse simplemente tocando su tostadora!

Todos los objetos que pueden llevar una carga están a algunos potenciales con referencia a la Tierra. Las cimas de la nube de tormenta, por ejemplo, pueden alcanzar un potencial de superficie de más de mil millones de voltios. Elegir cero voltios como el potencial medio es realmente la opción más segura; cualquier otro voltaje sería mayor y, por lo tanto, la posibilidad de una descarga eléctrica sería peor.

Para algunas preguntas relacionadas, en la actualidad, la energía eléctrica trifásica se transporta a las casas, preferiblemente en un cable que tiene cinco conductores: voltajes de línea L1, L2, L3; El neutro y la tierra. Pero en los viejos tiempos en el campo, cuando el cobre escaseaba, solo habría cuatro: L1, L2, L3 y un Neutral de diámetro mucho más pequeño, para ahorrar material. Y Neutral se habría conectado literalmente a la tierra, usando un clavo de cobre de al menos un metro de longitud, empujado hacia el suelo al lado de su casa. Que yo sepa, esto no se hace hoy. Pero da algún sentido al término "tierra" en cableados eléctricos y arroja algo de luz a la practicidad de usar la tierra.

Cuando el neutro está bien conectado a tierra, hay otra ventaja de seguridad: cuando los cables eléctricos do se rompen, por la acción de una excavadora o un árbol que se cae, la tierra proporciona un camino de conducción para la corriente , que pueden detectarse y los relés de falla en la estación de energía pueden apagar la alimentación del cable. De manera similar, si uno de tus aparatos eléctricos se descompone, es muy probable que se queme un fusible en tu caja de fusibles si el escudo de tu electrodoméstico está conectado a tierra.

Tienes razón en que el aislamiento evitaría que una descarga afectara directamente un cable activo, pero trae otros problemas. Esto también es algo que se usa en aplicaciones donde se necesita seguridad de falla adicional en caso de cortocircuitos a tierra (no hay necesidad inmediata de apagarse en el caso de una falla), pero con cuidado de que los problemas a continuación se manejen correctamente. Los casos en que se hace esto son, por ejemplo:

• en las UCI de los hospitales, donde la mayoría de los dispositivos están completamente aislados de todos modos.
• en la industria química donde un corte de energía podría ser peligroso (por ejemplo, reacciones exotérmicas)
• áreas que necesitan protección especial contra explosiones (por ejemplo, minería de carbón)
• en los barcos
• a veces por brigadas de bomberos cuando se usan generadores portátiles

Tampoco se hace tan simple como dibujaste, por ejemplo. las cajas metálicas aún están conectadas a tierra, y el lado secundario del transformador tiene una conexión a tierra, pero solo en el rango de unos pocos kΩ.

Dichas redes de suministro normalmente están limitadas en área, ya que encontrar una falla es relativamente difícil. La mayoría de las veces, estos también son monitoreados permanentemente para aislamiento (con un dispositivo de monitoreo de aislamiento) para detectar fallas individuales antes de que causen problemas.

La forma en que dibujó el sistema podría tener múltiples problemas (no una lista exhaustiva):

• No puede usar RCD para evitar tocar, por ejemplo. Casos de dispositivos donde el cable vivo está en corto a la caja. Lo que no sería un problema por sí solo, pero se convierte en uno si tocas cualquier cosa que esté conectada a tierra (tuberías de agua, calefacción, estar en tu jardín, quizás incluso en tu sala de estar, dependiendo de tu aislamiento a tierra en ese caso) o, por ejemplo, otro dispositivo donde el neutro está conectado a la caja (ya sea por diseño o también por accidente).
• Debe controlar que su red nunca esté conectada a tierra en ningún punto (ya sea por diseño (para un país diferente) o por accidente).
• Tendrías problemas con los escudos de, por ejemplo, cables de red. Tienes que conectarlos en algún lugar, pero ya no puedes conectarlos a tierra. Tal vez conectarlos a neutral? Luego, obtiene una corriente de compensación sobre el blindaje, debido al nivel neutro diferente de cada dispositivo (debido a la corriente de retorno y la resistencia óhmica del cable neutro)

Su vista también ignora el acoplamiento capacitivo entre las líneas eléctricas.

Es muy deseable construir dispositivos de manera que cuando estén apagados o tengan un fusible, ninguna parte de ellos podrá suministrar corriente a tierra, incluso si existen fallas dentro de otros dispositivos en el mismo circuito. Esto requiere, de manera efectiva, que todos los cables de alimentación que podrían generar o recibir una corriente significativa cuando su potencial difiere sustancialmente de la conexión a tierra, siempre deben conmutarse o desconectarse simultáneamente. Es mucho más fácil y económico tener un cable caliente fusionado y un cable neutro designado sin fusionar que proteger los cables calientes y neutros con un "fusible bipolar" construido de tal manera que una condición de sobrecorriente en cualquiera de los cables desconectaría ambos . Aunque es posible construir fusibles de esa manera, tales diseños son mucho más caros que los fusibles independientes.

En ausencia de un neutro designado / forzado, un dispositivo que desarrollara un cortocircuito entre uno de sus cables de alimentación y tierra podría hacer que el cable de alimentación en cortocircuito se comporte como "neutral" y que el otro se comporte como "caliente". Si otro aparato en el mismo circuito solo conmutó o fusionó el mismo cable de alimentación que el del que el primer aparato desarrolló un cortocircuito, todo el segundo aparato estaría vivo (en relación con la tierra) incluso cuando se apagó, lo cual es potencialmente peligroso. condición.

Si todos los aparatos conmutaron o fusionaron ambos cables de entrada de alimentación, no importaría cuál estaba caliente y cuál neutral. Sin embargo, tener un neutro designado hace posible que los aparatos de forma segura cambien o fusionen solo un solo cable, en lugar de tener que garantizar una desconexión simultánea de ambos cables. Esa es una gran victoria.

El sistema eléctrico es, como usted dice, antiguo. Aunque no es inaceptable. (Estoy en Australia, por lo que es un poco diferente a los EE. UU., Pero no tanto en principio).

El neutro que se conecta al potencial de tierra es, como se ha explicado, de modo que si hay un cortocircuito en la tierra / chasis / tierra en una pieza del equipo, el fusible se fundirá.

De hecho, los fusibles fueron la única protección que tuvimos durante muchas décadas. Ahora, además, tenemos dispositivos de corriente residual y corriente de fuga a tierra que, literalmente, miden la diferencia de corriente instantánea en los conductores activos y neutros.

Si hay una diferencia, significa que parte de la corriente está pasando a través del equipo a tierra, como en el caso de un refrigerador donde la humedad está causando el seguimiento de la corriente a través del polvo y la suciedad del marco del refrigerador. La otra posibilidad es que la corriente está pasando por una persona al suelo a través de sus zapatos ... ¡y tal vez su corazón!

Es por eso que esta innovación relativamente reciente es tan importante y funciona además de la protección normal del circuito en forma de fusibles y disyuntores.

En Australia llamamos RCD (Dispositivos de corriente residual) "Interruptores de seguridad". ¡Son exactamente eso!

Eso termina la lección.

Lamentablemente, ninguna de las respuestas en esta página parece mencionar una cosa bastante importante sobre los transformadores de alto voltaje, lo que los hace bastante baratos / asequibles: el aislamiento graduado. De lo que resulta ser uno de mis libros favoritos (al responder preguntas aquí), Grounds for Grounding (por Joffe and Lock), aquí está la figura relevante:

Sinconectaratierraelneutro,nosepuedeutilizarunaislamientograduado.Soloheincluidoaquílafiguradeltransformadordealtovoltajeinicialenelsitiodelgenerador,peroelmismoaislamientograduadoseaplicaatodoslostransformadoresdelasubestaciónenlareddedistribuciónhaciaelconsumidor.

EDITAR:Supongoquenodeberíahaberdejadoestocolgando.Comonopuede(abajocosto)deshacersedelaconexiónatierraenladistribucióndealtovoltaje,cuandoacoplaunsistemadesuministrodebajovoltajesinconexiónatierra,tieneunacoplamientocapacitivocomosemencionaalfinalde Respuesta de Andy Wallner . Los efectos de una falla a tierra en un sistema grande sin conexión a tierra son más graves que puede sugerir un experimento de transformador doméstico (con fugas) . De acuerdo con IEEE Std 141-1993, puede ver sobretensiones transitorias cinco veces la tensión nominal en tal caso cuando ocurre un fenómeno llamado tierra de arco. (La misma información se repite en enlace ) Hay una explicación algo intuitiva del fenómeno de la zona de arco en enlace No estoy realmente seguro de la fiabilidad de esta última fuente, pero básicamente dice que el arco se forma y se rompe muchas veces es por eso que obtienes las sobretensiones (se dice que son 3-4 veces el nominal en esa fuente). Hay formas de prevenirlos, pero una distribución de baja tensión sin conexión a tierra no es tan simple como un transformador de aislamiento en una verruga de pared Clase II.

EDIT2: La presentación de IAS en realidad explica la sobretensión debida a un arco más científico en términos de un circuito resonante que se forma. En realidad, es una muy buena presentación, pero bastante larga y mi tiempo de EE de hoy fue bastante limitado ... Hacia la mitad (de las más de 100 diapositivas) se habla de conexión a tierra de alta resistencia (HRG), que es una forma de obtener Beneficios de no tener conexión a tierra (menor riesgo de descarga) sin muchos inconvenientes, pero, por desgracia, solo es aplicable a cargas trifásicas. HRG no se puede utilizar con cargas monofásicas. Así que probablemente no lo veremos en la distribución residencial.