¿Por qué el neutral de main está vinculado a la tierra?

Mi papá es electricista y yo mismo soy ingeniero de diseño electrónico, y hasta el día de hoy todavía no ha podido darme una buena razón para esto.

Considere las dos imágenes / situaciones siguientes, ambas en el mismo caso, pero con neutro no atado a la tierra en el segundo. Disculpas por los pobres diagramas, pero imagina que están clavando un tenedor en un enchufe / cuchillo en una tostadora / etc. para tocar activo.

En la primera imagen, la persona recibe una descarga eléctrica. Estuche clásico. Esto se debe a que hay una diferencia de 240 VCA entre la mano de la persona y la tierra a sus pies. La cosa clave a tener en cuenta aquí es que fue la diferencia de 240 VCA la que causó el shock.

En la segunda imagen, la persona está tocando el cable activo nuevamente; sin embargo, dado que la tierra no está unida al neutro, no se garantiza una diferencia de 240 VCA. Ninguna. Al igual que conectar solo 1 extremo de una batería a una luz, esta situación no tiene circuito cerrado. Por lo tanto, la única forma de recibir una descarga eléctrica es si una persona se mantiene activa y neutral al mismo tiempo, lo que tendría que tratar de suicidarse si lo hiciera de alguna manera (es decir, mi punto es que la mayoría de las descargas eléctricas son causadas por energía activa). -> potencial de tierra, no activo -> neutral - y , la unión de neutral a tierra no hace nada para evitar choques de potencial activo -> neutral).

Sí, la tierra podría estar flotando y podría ser "cualquier" potencial con referencia a activo, y es bueno atarlo a neutro en las centrales eléctricas, salidas de transformadores y fuera de nuestra casa con una estaca de tierra para que "sepamos" qué potencial se encuentra a. Pero podría argumentar que podría aumentar el potencial peligroso de cualquier fuente de alimentación aislada. Así que no creo que sea un argumento sólido y la única razón. Además de esto, los transformadores / fuentes de alimentación aislados a veces se usan con el único propósito de protegerlos de los golpes, entonces, ¿por qué no aislamos toda la tierra de nuestra red eléctrica? Jaja.

Obviamente, el chasis de puesta a tierra ya no sería necesario si el neutro no estuviera conectado a tierra, porque tocar la carcasa de metal no sería peligroso si por alguna razón el dispositivo se activa (es decir, la situación 2).

TL; DR: ¿es la única razón por la que vinculamos la tierra a neutral para que sepamos que el suelo debajo de nosotros es 0V con respecto a activo? ¿O hay alguna otra razón?

Hay cuatro razones para poner a tierra al neutral.

1. La conexión a tierra neutral proporciona una referencia común para todas las cosas conectadas al sistema de alimentación. Eso hace que las conexiones entre dispositivos sean seguras (r).

2. Sin conexión a tierra, la electricidad estática se acumulará hasta el punto en que se producirá un arco eléctrico en la celda que causará una pérdida significativa de potencia transmitida, sobrecalentamiento, incendios, etc.

3. Con un sistema flotante es posible tener un corto entre los sistemas internos y vecinos a través de la ruta de tierra como se muestra a continuación. Encender una luz en su casa también puede provocar que se encienda una luz en la casa de sus vecinos. Esta característica es altamente impredecible.

^{simular este circuito : esquema creado con CircuitLab}

4. Finalmente, al poner a tierra un camino de retorno a neutral, un chasis corto a tierra de un dispositivo produce un resultado predecible en términos de una respuesta de fusible o interruptor. Esto proporciona una gran cantidad de protección preventiva para el usuario.

En resumen

En un modelo simple, parece que no sería más seguro no volver a vincular el terreno con el neutral. Sin embargo, en realidad, en un sistema de energía distribuido no hay garantía de esto, ya que no tiene forma de saber si hay algún otro camino de regreso al transformador a través de una ruta diferente. Es decir, en el punto 3 anterior, puede estar en peligro de electrocutarse tanto como si su neutro estuviera conectado a tierra.

Al final, los otros beneficios de volver a un punto neutral superan el beneficio de aislamiento posible, pero no confiable.

NOTA: Desde el punto 4, hay un cambio de paradigma en la forma en que necesita pensar acerca de la conexión neutral a tierra. No piense en el neutro conectado a tierra, sino que piense en la conexión de tierra al neutro para permitir que la corriente de corto a tierra regrese al transformador.

De lo que estás hablando es de un sistema aislado . Tengo un tratado extendido aquí . En un sistema aislado, "la primera falla a tierra está libre" (y se convierte en el enlace neutro a tierra). Esta es la idea que estás promoviendo.

El problema es el segundo. A menos que tenga personal de mantenimiento que realice pruebas de aislamiento y persiga y elimine esa primera falla a tierra, fallará en silencio, sin ser detectada y esperará . Entonces estás de vuelta en la misma situación , solo que ahora, no tienes idea de si el calor o la neutralidad serán letales para ti hoy.

También existe la falacia de que ha descubierto un caso de uso en el que su idea es mejor, pero no tiene en cuenta todos los demás casos de uso. La NFPA lo hace, y los considera a todos en equilibrio, y desarrolla las mejores prácticas que salvarán la mayoría de las vidas y las casas. Ese es literalmente su trabajo, ser la Asociación Nacional de Prevención de Incendios.

Además, un sistema aislado no funciona a menos que tenga su propio transformador, porque todo el sistema debe estar bajo mantenimiento común para que pueda asegurarse de que permanezca aislado. Tengo el lujo de tener mi propio transformador. Lo ejecuté como un "sistema aislado" por accidente (enlace defectuoso a tierra neutral). La "primera falla a tierra" falló en silencio y me tomó por sorpresa. Descubrí esto después de desenergizar un circuito y desconectar los cables de una toma de corriente. Encendí la tierra para asegurarme de que el circuito estaba apagado, ¡y esto volvió a encender el circuito! ¿¿¿Qué??? Resulta en un circuito no relacionado, caliente había fallado a tierra. La tierra era de 120V desde neutral en todo el sistemaincluso en circuitos que estaban apagados! Eso es súper malo, y el tipo de tontería que sucede en sistemas aislados que no se mantienen de manera competente. Fallar en silencio es MALO.

Diré esto: fue una buena prueba de validación para el trabajo anterior, que fue un cableado completo de un sitio que tenía docenas de defectos graves.

En una red de TI , donde ambas líneas en el zócalo están activas, el GFCI no funcionaría en una sola falla .
Lo que tiene beneficios en algunos sistemas de alta continuidad (por ejemplo, salas de operaciones), una sola falla no apaga todo.
Pero deberá monitorear activamente las fallas individuales mediante el monitoreo de aislamiento .

En cambio, nos ponemos a tierra neutrales para que incluso con una sola falla funcionen los mecanismos de protección. Llamamos a esto una red TT .

No tiene nada que ver con la seguridad táctil. SELV (seguridad extra baja tensión 42V) es para áreas húmedas y seguridad táctil.

Como Neil ha señalado, el panorama general es que usted es parte de una gran red eléctrica, y si no estuviera conectada a tierra en algún lugar, todo el asunto flotaría alto, tal vez a $ voltios de rayos.

Su segunda pregunta "¿No sería más seguro simplemente hacerla flotar", se convierte en una pregunta muy interesante cuando tiene un sistema de energía solar local y no conectado. Los registros eléctricos (aquí) lo obligan a aterrizar N, pero en realidad, eso solo lo hace insensible.

Este es un tema sobre el que (instalación de energía solar) hemos discutido en cierta medida sin una buena conclusión.

En el laboratorio de TV, prescribimos el uso de un transformador de aislamiento para separar galvánicamente nuestro dispositivo bajo prueba de la red eléctrica. Esto hizo que la TV fuera segura al tacto, con UNA mano. También hizo que el televisor fuera seguro para probar, es decir, conectar la tierra de su osciloscopio al circuito. Pero cuando conecta un osciloscopio con conexión a tierra a un circuito flotante, vuelve a estar conectado a tierra y, en principio, ¡no es seguro tocarlo!

Para llegar al punto, teníamos una ley que prohíbe conectar una regleta a un transformador de aislamiento. Use un transformador por dispositivo. De lo contrario, es demasiado fácil tocar dos dispositivos y descubrir de la manera difícil que uno está "caliente" en relación con el otro. No puede separar galvánicamente un edificio completo y esperar que el circuito permanezca flotante y seguro.

Además de la conexión a tierra accidental a través de algún dispositivo, también hay fugas de corriente a tierra, a través de condensadores. Su computadora tiene una fuente de alimentación separada galvánicamente, por lo que es seguro tocarla. Pero hay una C entre la tierra primaria y la secundaria para cortocircuitar la EMI del SMPS. Si la tierra no está conectada y toca la caja, entonces la corriente de 50-60 Hz a través de esa C (y la C del transformador) le produce un hormigueo. Conecte 10 dispositivos de este tipo con 10 C juntos sin poner a tierra explícitamente ninguno de ellos y ese hormigueo se convierte en una descarga. Es por eso que debe usar una toma de corriente con conexión a tierra para dispositivos electrónicos modernos. [editar: esquema agregado de otro hilo Henry Crun]

La razón principal es quemar fusibles protectores, para asegurar que la corriente de falla sea suficiente para ese propósito. Sin embargo, también ayuda a limitar las excursiones de voltaje en la distribución de 3 fases.

La conexión a tierra del chasis es una falla común. Sin el neutro unido a tierra, no fluiría una corriente significativa para quemar el fusible y desconectar la corriente.

Considere un transformador de distribución local de 3 fases, fase de 240v a N, 415v entre fases. Si una falla de conexión a tierra conecta a tierra la fase roja, entonces N se convertiría en 240v a tierra, y las fases azul y amarilla se convertirían en 415v a tierra, poniendo más tensión en el aislamiento en todas las otras propiedades que toman su suministro de fase única del mismo transformador .

Respuesta de una palabra: previsibilidad.

A veces, es mejor que una red sea predecible que "a veces" o "por lo general" sea más segura / más barata / mejor de alguna otra manera. La previsibilidad hace posible la seguridad / eficiencia / efectividad global , ya que simplifica el uso de la red y el diseño de las cosas conectadas a ella. Resuelve problemas una vez, en lugar de en cada implementación.

Aquí en Australia tenemos lo que se llama un sistema MEN. Multiple Earth Neutral, el IEC describe el sistema MEN como un sistema TN-CS (Terra Neutral Combined Seperate) que es una forma elegante de decir; el conductor neutro y el conductor a tierra son funcional y físicamente el mismo conductor entre el punto de estrella del transformador de distribución y el punto de suministro, que será propiedad del consumidor.

Es en el punto de suministro que el conductor combinado se separa en dos conductores físicos, el neutro y la tierra. El terminal de tierra principal se conecta a la mayor masa de la tierra a través del conductor de tierra principal y una estaca de tierra. Este proceso se repite en cada propiedad y, por lo tanto, forma parte de un sistema que llamamos sistema PME (Tierra protectora múltiple).

La razón por la cual el sistema PME es sencillo, cuanto más se aleja del transformador, mayor potencial aumenta en el conductor neutro con respecto a la tierra. El sistema PME permite que el aumento de voltaje disminuya a tierra en cada propiedad y, por lo tanto, mantiene el voltaje neutral constantemente bajo. Al mantener el voltaje neutro lo más cerca posible del potencial de tierra, se puede usar un buen voltaje de referencia y un medio para mitigar las diferencias de voltaje que aparecen entre las partes conductoras expuestas del equipo y las partes conductoras extrañas a través de la conexión equipotencial.

Tener un conductor de tierra permite la desconexión automática del suministro en caso de cortocircuito a falla a tierra por corriente de falla, una ruta de baja impedancia suficiente para operar el dispositivo de protección del circuito.

La corriente de falla siempre quiere encontrar su camino de regreso al origen (el transformador).

Entonces para responder a tu pregunta; La puesta a tierra es en realidad una parte muy compleja de cualquier sistema de distribución y forma parte integral de los dispositivos de protección al permitirles funcionar como han sido diseñados. ¡El conductor de tierra no recibe suficiente crédito por lo que hace!

Este poste de energía afuera de mi casa muestra la ventaja de tener el cable neutro conectado a tierra. El cable con corriente se encuentra solo en el lugar más alto y seguro, mientras que el cable neutro se encuentra más abajo en el poste.

El punto de los dispositivos de puesta a tierra es que si (de manera realista cuando) hay un corto a una parte, se puede tocar un circuito, la corriente fluye rápidamente durante un período de tiempo muy corto, y luego la protección contra sobrecorriente en la rama se dispara alertando Un espectador que hay un problema. El neutro está ligado al suelo para que el peligro potencial de un corto pueda ser detectado y protegido. Creo que un mejor ejemplo de la importancia es una tostadora que está acortando la red eléctrica a su chasis. Si está conectado a tierra, el disyuntor se dispara cada vez que conecta la tostadora y lo repara o obtiene uno nuevo. Si la tostadora no está conectada a tierra, el potencial de la red está sentado en el chasis de la tostadora esperando que complete el circuito a tierra (como tocar la tostadora con una mano y hundirse con la otra). La segunda situación te deja en un peligro significativo. Si la salida no está protegida con un GFCI, es posible que vea varios amperios fluir a través de usted durante varios ms antes de que se dispare un interruptor magnético tradicional. Esto es más que suficiente para causar daños graves y / o matar dependiendo del camino. Si el neutro no está conectado a tierra, no hay certeza de que un corto dispare la protección contra sobrecorriente.