Wie funktioniert Erdleitung?

^{Simulieren Sie diese Schaltung – Mit CircuitLab erstellter Schaltplan}

Abbildung 1. Ein lokaler Verteilungstransformator, der ein Haus mit nur einem Gerät versorgt – eine elektrische Lampe in einem Metallgehäuse, ordnungsgemäß geerdet.

• Unter Bezugnahme auf Abbildung 1 können wir sehen, dass der lokale Transformator unsere Versorgung vom Kraftwerk trennt. Ob der Generator geerdet ist oder nicht, interessiert uns nicht. (Das Transformatorsymbol zeigt an, dass zwischen Primär- und Sekundärseite keine elektrische Verbindung besteht.)
• Eine Seite des Transformators wird "neutralisiert", indem er mit einem Erdstab verbunden wird, der in den Boden getrieben wird. Neutral bedeutet, wie der Name schon sagt, dass dieser Leiter weder positiv noch negativ ist. Im Idealfall könnte man diesen Draht unbeschadet berühren. (Wir werden später sehen, warum dies nicht empfohlen wird.)
• Alles im Haus ist zwischen L (live) und N (neutral) verdrahtet.
• Bei nicht doppelt isolierten Geräten und Armaturen ist das Metallgehäuse geerdet (geerdet).

Nun gibt es ein paar Dinge, die zu dieser Anordnung zu beachten sind:

• Unter normalen Umständen wird der gesamte Strom über das stromführende Kabel geliefert und über den Neutralleiter zurückgeführt. (Ja, es ist abwechselnd, aber wir können es uns trotzdem so vorstellen.)
• Unter normalen Umständen FLIEßT KEIN STROM IN DER ERDUNG. Es sitzt einfach da - vielleicht nie benutzt - für den Fall, dass es einen Fehler gibt.
• Wenn der L-Draht in der Lampe vom Schalter fällt und das Metallgehäuse berührt, fließt ein Fehlerstrom zur Erde. Warum? Weil das Gehäuse mit Masse verbunden ist, die mit dem Neutralleiter des Transformators verbunden ist.

Wenn wir die Geräte nicht erden, könnten wir einen gefährlichen Zustand haben.

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Abbildung 2. Ein ungeerdetes Gerät mit einem internen Fehler, der das Gehäuse unter Spannung setzt.

Wenn jetzt jemand die Lampe berührt, besteht die Gefahr eines Stromschlags. Dies kann durch Widerstandsleitung durch ihren Körper zur Erde fließen, aber da der menschliche Körper eine gewisse Kapazität mit der Erde hat, fließt zumindest ein kleiner Strom.

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Abbildung 3. Ein Erdschluss.

In Abbildung 3 ist ein interner Fehler aufgetreten.

• Da das Gerät ordnungsgemäß geerdet ist, ist die Spannung am Gerät niedrig.
• Wenn der Fehler schwerwiegend ist (ein guter Kontakt zwischen dem internen stromführenden Draht und dem Gehäuse) UND der Masserückweg zum Transformator ausreichend niedrig ist, fließt ein hoher Strom und die Sicherung löst aus. Dadurch wird die Schaltung sicher.
• Beachten Sie, dass wir keine Sicherungen darin installieren müssen, da ein Draht neutralisiert wurde.

Als ich untersuchte, wie Wechselstrom funktioniert, erfuhr ich, dass einer der Drähte mit dem Boden oder einem Gewässer verbunden ist, damit er zurück zum Kraftwerk gelangen kann.

Nein. Nur zum örtlichen Transformator.

Das Konzept verwirrt mich. Jede Informationsquelle, auf die ich gestoßen bin, erklärt nicht, wie es funktioniert, oder beschönigt es schnell, als wäre es selbsterklärend.

Ich hoffe das obige hilft.

Wenn Energie durch das Wasser oder die Erde zurück zum Kraftwerk fließen kann, warum werden wir dann nicht verdampft, wenn wir in der Nähe von Stromleitungen auf dem Boden laufen?

1. Wir schicken normalerweise keinen Strom zurück durch den Boden. Es ist nur im Fehlerzustand.
2. Um verdampft zu werden, bräuchten Sie eine Hochspannung zwischen Ihrem linken Fuß und Ihrem rechten Fuß. Wenn wir einen massiven Fehler im Haus hätten und das Erdpotential am Erdstab auf 100 V ansteigen würde und es 100 m zurück zum Trafo wäre, dann wäre die Spannungssteigung 1 V/m. Machen Sie den größtmöglichen Schritt und Sie hätten < 2 V zwischen Ihren Füßen.

Und wie verhindert ein Trenntransformator, dass Sie oder Ihre Geräte frittiert werden?

Das tut es nicht. Es trennt es nur vom Stromnetz. Dies ist eine separate Frage.

Wenn ich beide Anschlüsse der Sekundärseite berühre, werde ich gebraten?

Ja, zwischen den Klemmen liegt Spannung an. Wenn es isoliert ist, könnten Sie beide Anschlüsse berühren und keinen Schock bekommen (aber denken Sie an die Kapazität des Körpers und des Transformators - Sie könnten überrascht sein), aber wenn Sie jeden Anschluss mit separaten Händen berühren, könnte ein Strom durch Ihr Herz fließen und Sie töten .

Sie verwechseln das 'Kraftwerk' mit dem Bodenrückgabepunkt. Wechselstrom wird in einer ganzen Stadt mit Hochspannung an Unterstationen verteilt, wo er auf vielleicht 7.200 VAC abgesenkt wird. Diese wird wiederum an die Nachbarschaft verteilt, wo an Masten montierte Transformatoren oder Erdungstransformatoren die Spannung auf 240 VAC mit genügend Strom heruntersetzen, um 1 bis 4 Haushalte mit Strom zu versorgen.

Diese Unterstationen und Transformatoren isolieren uns von der Kraftwerkserdung, und tatsächlich gehen die höchsten Spannungen von Transformator zu Transformator und haben ein „Delta“-Format, das keine Erde hat. "Erdung", wie Sie es sich vorstellen, erfolgt durch Erdung des neutralen Abgriffs an jeder Transformatorsekundärseite, die Industrie- und Wohngebiete mit Strom versorgt.

Die Elektriker des Versorgungsunternehmens setzen an dieser Stelle einen Erdungsstab aus Kupfer ein, der die örtliche Erdungsreferenz für diesen Leistungstransformator festlegt. Hier treffen sich zuerst Ihr weißer Neutralleiter zu Ihrem Haus und die Erdung. Aber anstatt ein separates Erdungskabel zu jedem Haus zu verlegen, haben Sie ein Erdungskabel (normalerweise blankes Kupfer), das mit dem Neutralblock an Ihrem Leistungsschalterfeld verbunden ist und zu einer Erdungsstange innerhalb weniger Meter des Feldes führt.

Das Energieversorgungsunternehmen muss kein Erdungskabel vom Quelltransformator zu Ihrem Haus verlegen, da Kupfer teuer ist und normalerweise KEINE Spannung oder Strom auf dem Erdungskabel vorhanden ist. Wenn dies der Fall ist, haben Sie ein Gerät, das Strom zu seinem Chassis ableitet, oder vielleicht eine alte elektrische Bohrmaschine mit ausgefransten Kabeln. Dann erfüllt das Erdungskabel seinen Zweck, indem es den Leckstrom durch die Erdungsstange zur Erde leitet.

Die Stromversorgung eines Hauses oder Geschäfts erfolgt normalerweise (ich überspringe „spezielle“ Stromversorgungen wie 3-Phasen) mit 2 schwarzen Drähten, den „heißen“ Drähten oder L1 und L2, wie sie manchmal genannt werden. Jeder hat 120 VAC zum Neutralleiter, aber 240 VAC zwischen ihnen, da sie um 180 Grad phasenverschoben sind. Der weiße Neutralleiter ist die Stromrückleitung für 120-VAC-Geräte, unabhängig davon, welcher schwarze Draht die Stromquelle ist, und wird mit der Erdung im Schaltschrank verbunden, um die Spannung so niedrig wie möglich zu halten.

Sie können jedoch immer noch einen Stromschlag von sehr alten Geräten bekommen, weshalb viele Paneele jetzt GFCI-Unterbrecher verwenden, die „AUS“ auslösen, wenn ein Strom in die Erde erkannt wird. Wenn Sie einen heißen und neutralen Draht oder gleichzeitig heiß und Masse berühren. Sie erhalten einen Schock, der auch die Ausgänge des Trenntransformators umfasst, wenn Sie beide Drähte gleichzeitig berühren.

Dies ist ein Ausschnitt aus dem Green Grounding Manual .pdf

DESIGNING FOR A LOW RESISTANCE EARTH INTERFACE (ERDUNG)

Roy B. Carpenter, Jr. und Joseph A. Lanzoni Lightning Eliminators and Consultants, Inc. Boulder, Colorado, USA

Einführung

Grounding (oder Erdung) ist die Kunst, eine elektrische Verbindung zur Erde herzustellen. Der Prozess ist eine Kombination aus Wissenschaft und „Kunst“ im Gegensatz zu reiner Wissenschaft. Dieser Prozess ist erforderlich, weil es notwendig ist, einen Prozess des „Testens der Optionen“ zu durchlaufen, im Gegensatz zu Berechnungen, die über einen formalen Prozess durchgeführt werden. Die Optionen für jeden Standort müssen durch Visualisierung und Bewertung individuell unter Verwendung eines verwandten Analyseverfahrens ermittelt werden.

Die Erde muss als Halbleiter behandelt werden, während die Erdungselektrode selbst ein reiner Leiter ist. Diese Faktoren machen den Entwurf eines Erdungssystems komplex und nicht aus einer einfachen Berechnung oder dem zufälligen Eintreiben einiger Stangen in den Boden abgeleitet.

Die Kenntnis der örtlichen Bodenverhältnisse ist zwingend erforderlich und der erste Schritt im Planungsprozess. Dazu gehören der Feuchtigkeitsgehalt, die Temperatur und der spezifische Widerstand unter bestimmten Bedingungen.

Ich habe gelernt, dass einer der Drähte mit dem Boden oder einem Gewässer verbunden ist, damit er zurück zum Kraftwerk gelangen kann. Das Konzept verwirrt mich. Jede Informationsquelle, auf die ich gestoßen bin, erklärt nicht, wie es funktioniert, oder beschönigt es schnell, als wäre es selbsterklärend.

Es gibt Stromversorgungssysteme, die Erdrückführung verwenden, aber dies ist in entwickelten Regionen sehr ungewöhnlich. Solche Systeme funktionieren, weil die Erde zwar kein sehr guter Leiter ist, aber ihre Querschnittsfläche sehr groß ist, sodass sie erhebliche Ströme leiten kann.

Wenn Energie durch das Wasser oder die Erde zurück zum Kraftwerk fließen kann, warum werden wir dann nicht verdampft, wenn wir in der Nähe von Stromleitungen auf dem Boden laufen?

Aus dem gleichen Grund können Vögel auf einer Stromleitung stehen – weil der Spannungsabfall über den geringen Abstand zwischen Ihren Füßen nicht sehr groß ist.

Und wie verhindert ein Trenntransformator, dass Sie oder Ihre Geräte frittiert werden?

Ein Trenntransformator verhindert, dass ein Stromkreis aus der Stromquelle, der Erdung und Ihren Geräten gebildet wird. Zum Beispiel, wenn eine Person gleichzeitig das Chassis des Geräts und den Boden berührt.

Es schützt nicht so sehr die Ausrüstung vor Beschädigung, sondern die Person, die ihren Körper unwissentlich benutzen könnte, um den Stromkreis durch Masse zu schließen. Ich habe noch nie einen verwendet, aber ich vermute, Sie verwenden ihn in Fällen, in denen das Chassis des Geräts aufgrund der Art des Geräts mit Strom versorgt werden muss. Der Wikipedia-Artikel enthält einige weitere Beispiele für Anwendungsfälle für Trenntransformatoren.

Wenn ich beide Anschlüsse der Sekundärseite berühre, werde ich gebraten?

Ja. Wenn Sie eine Hand auf jedes Terminal der Sekundärseite legen, werden Sie in Schwierigkeiten geraten. Weil zwischen Ihrem Körper und der Sekundärspule ein Stromkreis entsteht.

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Sollte der Boden heiß werden, wenn Strom durch ihn fließt? Ist der Widerstand zu hoch, um zu fahren?

Ja, wenn Sie Strom durch eine enge Region der Erde zwingen würden, würde es sich erwärmen. Aber normalerweise ist die Erde sehr groß, was ihren elektrischen Widerstand verringert und auch die erzeugte Wärme so verteilt, dass sie keinen merklichen Temperaturanstieg erzeugt.

Wenn ich mich im dritten Stock eines Hauses befinde, wie bekomme ich einen Schock, wenn ich mich in beträchtlicher Höhe über dem Boden befinde?

Im Allgemeinen gibt es in Ihrem Haus Wasserleitungen und elektrische Leitungen, die die Struktur elektrisch mit der Erde verbinden.

der Holz- oder Betonrahmen des Hauses sollte genügend Widerstand bieten? Was, wenn das Haus aus dickem Gummi ist?

Wenn Ihr Haus aus Gummi wäre, würden Sie wahrscheinlich keinen Stromschlag erleiden, selbst wenn Sie das heiße Kabel einer Steckdose berühren würden.

Als ich untersuchte, wie Wechselstrom funktioniert, erfuhr ich, dass einer der Drähte mit dem Boden oder einem Gewässer verbunden ist, damit er zurück zum Kraftwerk gelangen kann.

Das stimmt teilweise. Zwischen Ihnen und dem Kraftwerk liegen viele Abzweigungen und Treppen. Typischerweise wird ein "Ground Return"-Schema nur in der Phase der "letzten Meile" verwendet. Viele Wohn- und ländliche Gebiete verteilen den Strom (mit mehreren tausend Volt) über einen einzigen Draht und verwenden die Erde als Rückweg. Sie werden Beispiele sehen, bei denen sich ganz oben an einem Strommast ein einzelner Draht und ein großer Transformator (genannt "Polschwein") befinden, der diese Hochspannung auf das Niveau senkt, das in Ihr Haus eindringt. In Nordamerika normalerweise 230 V.

Auf dem Transformator befindet sich eine große isolierte Klemme, die an diesem Hochspannungskabel an der Spitze des Pols befestigt wird. Auf dem Foto unten befindet es sich oben auf dem Transformator und Sie können nicht wirklich etwas anderes als den angeschlossenen Draht sehen. Aber die andere Seite dieses Stromkreises (der "Primär" oder Eingang des Transformators) ist ein Erdungskabel, das an der Stange befestigt ist und bis zu einem Erdungsstab reicht. Sie können sehen, wie dieses Erdungskabel von der rechten Seite des Transformators abgeht und den Pol hinunterschleift.

Die andere ("Sekundär"- oder Ausgangs-)Seite des Transformators liegt typischerweise bei 230 V und hat einen Mittelabgriff, wobei der Mittelabgriff ebenfalls geerdet ist. Das sind die drei größeren Drähte, die aus der Seite des Transformators herauskommen.

Wenn Energie durch das Wasser oder die Erde zurück zum Kraftwerk fließen kann, warum werden wir dann nicht verdampft, wenn wir in der Nähe von Stromleitungen auf dem Boden laufen?

Weil der Boden (oder das Wasser) (per Definition) auf Nullpotential liegt.

Und wie verhindert ein Trenntransformator, dass Sie oder Ihre Geräte frittiert werden? Wenn ich beide Anschlüsse der Sekundärseite berühre, werde ich gebraten?

Das ist eine ganz andere Frage, die gesondert gestellt werden sollte. Allein Ihre erste Frage hat bereits eine große Resonanz hervorgerufen.