Warum liefern Trenntransformatoren 0 V zwischen ihren Anschlüssen und geerdeten Instrumenten und warum nicht bei einer normalen Erdung?

Warum bekomme ich einen Schock, wenn ich barfuß stehe, während ich eine stromführende Leitung berühre, wenn es keinen Rückweg gibt

Wenn es keinen Rückweg gibt, werden Sie nicht exponiert. Aber es gibt einen Rückweg: Die Erdungsverkabelung in Ihrem Haus ist über ein Pad oder eine Stange mit der Erde und am Panel mit dem Neutralleiter verbunden. Das bedeutet, dass der Boden unter Ihren Füßen elektrisch mit dem Neutralleiter verbunden ist, der zurück zur Spannungsquelle führt (z. B. Ihr "Step-Down" -Transformator in der Nachbarschaft).

Siehe das Bild unten, das diese Verbindung im Panel zeigt. (Ignorieren Sie die Teilung von Subpanel / Panel, der Punkt ist, dass der Neutralleiter am Panel mit dem Boden verbunden ist.)

Und wie verhindern Trenntransformatoren Stromschläge, wenn ich ein geerdetes Instrument berühre oder barfuß auf dem Boden stehe

Bei einem Trenntransformator haben Phase und Neutralleiter ein elektrostatisches Potential gegenüber Erde, das bei möglicherweise sehr hohen Spannungen "schwebt". Sie können dich zappen, aber wahrscheinlich nicht töten. Solange der Neutral- oder Phasenleiter nicht geerdet ist, bildet sich bei Berührung mit bloßen Füßen kein Stromkreis.

Das Diagramm in Ihrer Frage bezeichnet die Neutral-Erde-Spannung fälschlicherweise als 0 V. Die dargestellte „Stabilisierung“ (als 0V) erfordert eine hoch- oder niederohmige Erdung, um das Potential zu neutralisieren.

Eine hochohmige Erdung dient der Potentialstabilisierung unter Vermeidung einer gefährlichen Masseschleife. Eine niederohmige Erdung wird verwendet, um Metallgehäuse oder freiliegende Metallteile zu schützen, wenn ein Kurzschluss zwischen Spannung und Metall auftreten sollte, wodurch ein Fehlerstromschutzschalter oder ein Überstromschutzschalter ausgelöst wird, bevor ein Feuer entsteht oder ein Benutzer gefährdet wird.

Wie gezeichnet, gibt es keine Erdung, und diese Spannung zur Erde ist unbekannt.

Hier ist ein Beispiel für eine Impedanzerdung auf der Sekundärseite: (es gilt für ein 3-Phasen-System, aber das Prinzip ist dasselbe)

Das hohe elektrostatische Potential auf der isolierten Seite würde nicht durch den Generator/Transformator verursacht werden, sondern durch andere Ursachen der Aufladung.

Manchmal ist kein Weg erforderlich, um einen Schock zu spüren, z. B. beim Aufnehmen oder Ablassen einer Ladung zwischen zwei Körpern. Dies wäre so etwas wie ein kapazitiver In-Rush-Zap. Kinder erleben dies auf einem Spielplatz, wenn sie von einer Plastikrutsche herunterkommen.

Ob der Transformator oder Generator (die isolierte Quelle) sekundärseitig geerdet werden muss, hängt davon ab, ob das Verbrauchergerät vollständig von der isolierten Quelle umschlossen ist. Wenn dies nicht der Fall ist, erfordern elektrische Vorschriften häufig eine niederohmige Erdung, und nur ein Fehlerstromschutzschalter bietet ausreichenden Schutz, nicht die Isolierung.

Elektrische Viehzäune funktionieren nach diesem Prinzip: Sie liefern eine Hochspannungsspitze, um einen (hochohmigen) Pfad durch die Erde zu überwinden.

(Bild von https://www.stafix.com/en-us/helpful-information/grounding-your-energizer )

Der Boden und die Erde haben keinen allzu niedrigen spezifischen Widerstand, bieten aber viel Fläche für den Stromfluss (ebenso wie Ihre Füße im Vergleich zur Kontaktfläche eines Drahtes). Kombinieren Sie dies mit der Tatsache, dass die Wandspannungen hoch sind und nicht viel Strom fließen muss, um Ihrem Körper Schaden zuzufügen.

Daraus folgt, dass, wenn der Widerstand zwischen den Transformatorwicklungen viel höher ist als der Boden und die Erde, es offensichtlich sein sollte, wie der Trenntransformator Sie schützt. Es trennt das Massepotential auf der Primärseite von 0 V auf der Sekundärseite und lässt die 0 V floaten, sodass Sie beide Sekundärdrähte berühren müssen, um einen Schock zu erhalten. Wenn Sie nur einen Sekundärdraht berühren, wird das Potenzial an diesem Draht gleich Ihrem Potenzial und die Potenzialdifferenz am anderen Anschluss schwebt höher oder niedriger, wobei die gleiche Spannung zwischen den Sekundäranschlüssen beibehalten wird.

Sie scheinen sich zu fragen, wie Sie möglicherweise mit dem Boden oder dem Erdungsstab im Freien verbunden sein könnten, wenn Sie sich in Ihrem Gebäude mehrere Stockwerke hoch befinden. Lass uns etwas rechnen.

Beispielsweise liegt der Widerstand von Gummi in der Größenordnung von$10^{13}$Ohmmeter. Dies sollte um einiges höher sein als bei den meisten Materialien. Der Widerstand von Kupfer liegt in der Größenordnung von$10^{-8}$Ohmmeter. Das ist also ein Unterschied von$10^{11}$mal. Wir bräuchten eine Gummifläche$10^{11}$größer als die Fläche des Kupfers, damit es gleich leitfähig ist.

Der Bereich für 16AWG-Kabel, die zu Ihrem Toaster führen, ist$1.31mm^2$. Der Bereich Ihrer Füße beträgt ca$0.09m^2 = 8100mm^2$Das ist in der Größenordnung von$10^{3}$mal mehr Fläche. Ihre Füße haben also viel mehr Fläche als der Draht, aber bei weitem nicht$10^{11}$, Rechts?

Aber lassen Sie uns versuchen, die Fläche Ihres gesamten Stockwerks oder den Querschnitt Ihres Gebäudes zu erraten. Nehmen wir einfach etwas Kleines, sagen wir$10m \times 10m$=$100,000,000mm^{2}$Das ist$10^{7}$mal mehr Fläche. Näher kommen$10^{11}$.

Aber bedenken Sie jetzt, dass Sie von viel weniger Strom verletzt werden als so etwas wie ein Toaster. Wenige mA reichen aus. Dieser 16AWG-Draht war so dimensioniert, dass er 15A zum Toaster transportieren kann, aber Sie können durch 5mA verletzt werden. Das ist eine Stromdifferenz in der Größenordnung von$10^{3}$. Das 16AWG-Kabel, das den Toaster mit Strom versorgt, könnte einen tausendmal höheren Widerstand haben und Sie trotzdem verletzen.

Wenn wir also das Verhältnis von kombinieren$10^{7}$Und$10^{3}$zusammen, das gibt dir$10^{10}$was dem ziemlich nahe kommt$10^{11}$Verhältnis. Und denken Sie daran, dass wir Gummi verwendet haben, das besser isoliert als die meisten Dinge, aus denen der Boden, der Boden und das Gebäude bestehen. Wir haben auch die Tatsache ignoriert, dass es geerdete Metallträger und Rohre gibt, die es der Ladung ermöglichen, Abkürzungen durch Ihr Gebäude zu Ihnen zu nehmen.

** BEARBEITEN: Hoppla,$10^{13}$geteilt durch$10^{-8}$Ist$10^{21}$, nicht$10^{11}$. Das größte Problem ist wahrscheinlich, dass ich kein Gummi hätte verwenden sollen. Ich hatte Probleme, gute Leitfähigkeitswerte für trockenes Holz oder ausgehärteten Beton zu finden. Holz variierte von wenigen GigaOhm im trockenen Zustand über Hunderte von MegaOhm mit nur wenig Feuchtigkeitsgehalt bis zu einigen KiloOhm im feuchten Zustand. Der Widerstand von Gestein ist überraschend niedrig, oft viel weniger als 10 MegaOhm, selbst wenn es trocken ist.

Wenn Sie ein paar hundert MegaOhm verwenden würden, würde das ungefähr abschneiden$10^5$im Vergleich zur Verwendung von Gummi, so dass Sie nur brauchen würden$10^{16}$anstatt$10^{21}$mehr Fläche.

https://ieeexplore.ieee.org/document/6441387

http://www.geonics.com/pdfs/technicalnotes/tn5.pdf

Eines der Missverständnisse, mit denen Sie zu kämpfen haben, ist der Erdwiderstand. Sie scheinen zu glauben, dass der Erdwiderstand mit zunehmender Entfernung zunimmt. In Wirklichkeit ist der Erdwiderstand eine Konstante. Wenn Sie einen Widerstand von 1 Ohm zwischen zwei Elektroden im Abstand von einem Meter messen können, messen Sie auch 1 Ohm zwischen zwei Elektroden in einem Abstand von 100 m oder 10 km. Was passiert ist, dass es mehr Strompfade zwischen weiter auseinander liegenden Punkten gibt; Bei Elektroden, die 100 m voneinander entfernt sind, können die Strompfade 100 m tief und 100 m zur Seite verlaufen, während der Widerstand mit der Länge variiert, lautet die Beziehung Widerstand = Länge * Fläche/Volumen. Wenn also Länge, Breite und Tiefe alle zusammen variieren, ist der Widerstand Konstante. Der gemessene Wert des Erdungswiderstands wird durch die Größe Ihres Erdungsstabs bestimmt: größerer Stab = geringerer Widerstand.

In einem Gebäude gibt es Erdungsbänder und Metallinstallationen und einen Metallgebäuderahmen, die alle Erdpotentialpunkte miteinander verbinden. Wenn alle freiliegenden Metallteile miteinander verbunden sind, haben sie während eines Fehlers oder eines Blitzeinschlags dasselbe Potential.