Por que o neutro de main está ligado à terra?

Meu pai é eletricista e eu próprio sou engenheiro de design de eletrônicos, e até hoje ele ainda não conseguiu me dar uma boa razão para isso.

Considere as duas figuras / situações a seguir - ambos no mesmo caso, mas com o neutro não amarrado à terra no segundo. Desculpas pelos pobres diagramas, mas imagine que eles estão enfiando um garfo em um plugue / faca em uma torradeira / etc. para tocar em ativo.

Na primeira foto, a pessoa recebe um choque elétrico. Caso clássico. Isso ocorre porque há uma diferença de 240VAC entre a mão da pessoa e a terra a seus pés. A principal coisa a observar aqui é que foi a diferença de 240VCA que causou o choque.

Na segunda foto, a pessoa está tocando o fio ativo novamente - no entanto, como a terra não está ligada ao neutro, não há diferença garantida de 240VCA. Nenhum. Como conectar apenas uma extremidade da bateria a uma luz, essa situação não tem circuito fechado. Portanto, a única maneira de receber um choque é se uma pessoa se mantiver ativa e neutra ao mesmo tempo - o que você teria que tentar se matar se o fizesse de alguma forma (isto é, o que quero dizer é que a maioria dos choques elétricos são causados ​​por -> potencial da terra, não ativo -> neutro - e , amarrando o neutro à terra, não faz nada para impedir choques ativos -> neutros).

Sim, a terra pode estar flutuando e pode ser "qualquer" potencial em relação ao ativo, e é bom amarrá-lo ao neutro em usinas de energia, tomadas de transformadores e fora de nossa casa com uma estaca de terra para "sabermos" qual o potencial às. Mas você pode argumentar que isso pode levar a algum potencial perigoso sobre qualquer fonte de alimentação isolada. Portanto, não acho que esse seja um argumento sólido e a única razão. Além disso, transformadores / fontes de alimentação isolados às vezes são usados ​​com o único objetivo de proteger contra choques - então por que não isolamos a terra inteira de nossa rede elétrica? Haha

Obviamente, o chassi de aterramento não seria mais necessário se o neutro não estivesse amarrado à terra - porque tocar no invólucro de metal não seria perigoso se, por algum motivo, o dispositivo se tornasse ativo (ou seja, o mesmo da situação 2).

TL; DR: é a única razão pela qual ligamos a Terra ao neutro para que saibamos que o solo abaixo de nós é 0V em relação ao ativo? Ou tem alguma outra razão?

Existem quatro razões para aterrar o neutro.

1. O neutro de aterramento fornece uma referência comum para todas as coisas conectadas ao sistema de energia. Isso torna as conexões entre dispositivos seguras (r).

2. Sem terra, a eletricidade estática se acumulará até o ponto em que ocorrerá arco no painel, causando perda significativa na potência transmitida, superaquecimento, incêndio etc.

3. Com um sistema flutuante, é possível ter um curto entre os sistemas internos e vizinhos através do caminho de terra, como mostrado abaixo. Acender uma luz em sua casa também pode acender a luz na casa de seus vizinhos. Essa característica é altamente imprevisível.

^{simular este circuito - esquemático criado usando o CircuitLab}

4. Finalmente, ao dar à terra um caminho de retorno para neutro, um curto no chassi aterrado de um dispositivo causa um resultado previsível em termos de resposta de fusível ou disjuntor. Isso fornece uma grande proteção preventiva ao usuário.

Em suma

Em um modelo simples, parece que não amarrar o chão de volta ao neutro seria mais seguro. No entanto, na realidade, em um sistema de energia distribuído, não há garantia disso, pois você não tem como saber se existe outro caminho de volta ao transformador por uma rota diferente. Ou seja, no ponto 3 acima, você pode estar em risco de ser eletrocutado tanto quanto se seu neutro estivesse aterrado.

No final, os outros benefícios de recompor o neutro superam o benefício de isolamento possível, mas não confiável.

NOTA: A partir do ponto 4, há uma mudança de paradigma na maneira como você precisa pensar sobre a conexão terra neutra. Não pense no neutro conectado ao terra, mas sim no aterramento do neutro para permitir que a corrente de um curto ao terra retorne ao transformador.

O que você está falando é um sistema isolado . Eu tenho um tratado extenso sobre isso aqui . Em um sistema isolado, "a primeira falta à terra é livre" (e se torna a ligação terra neutra). Esta é a ideia que você está promovendo.

O problema é o segundo. A menos que você tenha uma equipe de manutenção ativamente testando o isolamento, perseguindo e eliminando a primeira falha à terra, ela falhará silenciosamente, sem ser detectada e ficará à espera . Então você está de volta na mesma situação , só que agora, você não tem idéia se quente ou neutro será letal para você hoje.

Há também a falácia de que você descobriu um caso de uso em que sua ideia é melhor, mas não considera todos os outros casos de uso. O NFPA faz, e considera todos eles em equilíbrio, e desenvolve as melhores práticas que salvarão mais vidas e casas. Esse é literalmente o trabalho deles, sendo a Associação Nacional de Prevenção de Incêndios.

Além disso, um sistema isolado não funciona, a menos que você tenha seu próprio transformador, porque todo o sistema deve estar em manutenção comum para garantir que ele permaneça isolado. Eu tenho o luxo de ter meu próprio transformador. Eu o executei como um "sistema isolado" por acidente (falha na ligação neutro-terra). A "primeira falha no aterramento" realmente falhou silenciosamente e me pegou de surpresa. Descobri isso depois de desenergizar um circuito e puxar os fios de uma tomada. Eu pisquei quente na terra só para ter certeza de que o circuito estava desligado, e isso reacendeu o circuito! O que??? Acontece que em um circuito não relacionado, quente tinha falhado em terra. O solo estava a 120V do ponto morto em todo o sistemamesmo em circuitos desligados! Isso é muito ruim e é exatamente o tipo de bobagem que acontece em sistemas isolados que não são mantidos com competência. Falha no silêncio é MAU.

Eu direi o seguinte: foi um bom teste de validação para o trabalho anterior, que foi uma religação completa de um site que apresentava dezenas de defeitos graves.

Em uma rede de TI , onde as duas linhas do soquete estão ativas , o GFCI não funcionaria em uma única falha .
O que traz benefícios em alguns sistemas de alta continuidade (por exemplo: salas de operação), uma única falha não desativa tudo.
Mas você precisará monitorar ativamente falhas únicas usando o monitoramento de isolamento .

Em vez disso, aterramos em ponto morto para que, mesmo com uma única falha, os mecanismos de proteção funcionem. Chamamos isso de rede TT .

Não tem nada a ver com a segurança do toque. SELV (segurança extra baixa voltagem 42V) é para áreas úmidas e seguras ao toque.

Como Neil apontou, o panorama geral é que você faz parte de uma grande rede de eletricidade e, se não fosse aterrada em algum lugar, a coisa toda flutuaria alto - talvez para um raio de volts.

Sua segunda pergunta "Não seria mais seguro apenas fazer a flutuação" torna-se uma pergunta muito interessante quando você tem um sistema de energia solar local e não conectado. Os registros elétricos (aqui) obrigam você a aterrar N, mas na verdade isso está apenas tornando-o mais seguro.

Este é um tópico sobre o qual discutimos (instalando energia solar) sem uma boa conclusão.

No laboratório de TV, prescrevemos o uso de um transformador de isolamento para separar galvanicamente nosso dispositivo em teste da rede elétrica. Isso tornou a TV segura para tocar, com UMA mão. Também tornou a TV segura para teste, ou seja, para conectar o terra do seu osciloscópio ao circuito. Mas quando você conecta um escopo aterrado a um circuito flutuante, ele se torna aterrado novamente e, em princípio, não é seguro tocar!

Para chegar ao ponto, tínhamos uma lei que é proibida de conectar uma régua de energia a um transformador de isolamento. Use um transformador por dispositivo. Caso contrário, fica muito fácil tocar em dois dispositivos e descobrir da maneira mais difícil que um é "quente" em relação ao outro. Você não pode separar galvanicamente um edifício inteiro e esperar que o circuito permaneça flutuante e seguro.

Além do aterramento inadvertido através de algum dispositivo, também há corrente de fuga ao terra, através de capacitores. Seu computador possui uma fonte de alimentação separada galvanicamente, portanto é seguro tocá-lo. Mas há um C entre o terra primário e o secundário para causar um curto-circuito na EMI do SMPS. Se o terra não estiver conectado e você tocar na caixa, a corrente de 50-60 Hz através desse C (e o C do transformador) causará um formigamento. Conecte 10 desses dispositivos com 10 Cs juntos sem aterrar explicitamente nenhum deles e esse formigamento se torna um choque. É por isso que você deve usar uma tomada com aterramento para dispositivos eletrônicos modernos. [editar: esquemático adicionado de outro tópico Henry Crun]

O principal motivo é queimar os fusíveis de proteção, para garantir que a corrente de falha seja suficiente para esse fim. No entanto, também ajuda a limitar excursões de tensão na distribuição trifásica.

Ativar o terra do chassi é uma falha comum. Sem a ligação neutra à terra, nenhuma corrente significativa fluiria para queimar o fusível e desconectar a energia.

Considere um transformador de distribuição local trifásico, fase 240v para N, 415v entre fases. Se uma falha de terra no aterramento aterrasse a fase vermelha, N se tornaria 240v no solo e as fases azul e amarela se tornariam 415v no solo, colocando mais tensão no isolamento em todas as outras propriedades, levando sua alimentação monofásica do mesmo transformador .

Resposta em uma palavra: Previsibilidade.

Às vezes, é melhor que uma rede seja previsível do que "às vezes" ou "geralmente" seja mais seguro / barato / melhor de alguma outra maneira. A previsibilidade torna possível a segurança / eficiência / eficácia global , uma vez que simplifica o uso da rede e o design das coisas conectadas a ela. Você resolve os problemas uma vez, em vez de em todas as implementações.

Aqui na Austrália, temos o que é chamado de sistema MEN. Neutro múltiplo da terra, o IEC descreve o sistema MEN como um sistema TN-CS (Terra neutro combinado separado), que é uma maneira elegante de dizer; o condutor neutro e o terra são funcional e fisicamente o mesmo condutor entre o ponto estrela do transformador de distribuição e o ponto de suprimento, que ficará na propriedade do consumidor.

É no ponto de suprimento que o condutor combinado se separa em dois condutores físicos, o neutro e o terra. O terminal de aterramento principal é então conectado à maior massa da terra através do condutor de aterramento principal e de uma estaca de aterramento. Esse processo é repetido em todas as propriedades e, portanto, faz parte de um sistema que chamamos de sistema PME (Protective Multiple Earth).

A razão pela qual o sistema PME é direto, quanto mais você se distancia do transformador, maior potencial aumenta no condutor neutro em relação à terra. O sistema PME permite que o aumento da tensão desapare na terra em cada propriedade e, assim, mantém a tensão neutra consistentemente baixa. Ao manter a tensão neutra o mais próximo possível do potencial de aterramento, é possível usar uma boa tensão de referência e um meio para mitigar as diferenças de tensão que aparecem entre as partes condutoras expostas do equipamento e as partes condutoras externas através da ligação equipotencial.

Ter um condutor de aterramento permite a desconexão automática da alimentação no caso de um curto-circuito à falta à terra por corrente de falta, um caminho de baixa impedância suficiente para operar o dispositivo de proteção do circuito.

A corrente de falha sempre quer encontrar o caminho de volta à origem (o transformador).

Então, para responder sua pergunta; o aterramento é, na verdade, uma parte muito complexa de qualquer sistema de distribuição e faz parte integrante dos dispositivos de proteção, permitindo que funcionem como foram projetados. O condutor de aterramento não recebe crédito suficiente pelo que faz !!!

Esse poste de energia fora da minha casa mostra uma vantagem de ter o fio neutro aterrado. O fio ativo está localizado sozinho no local mais alto e seguro, enquanto o fio neutro fica mais abaixo no poste.

O objetivo dos dispositivos de aterramento é que, se (realisticamente quando) houver uma parte curta em que você possa tocar em um circuito, a corrente fluirá rapidamente por um período muito curto de tempo e, em seguida, a proteção contra sobrecorrente nas derivações dispara, alertando um espectador que há um problema. O ponto morto está ligado ao solo, para que o perigo potencial de um curto possa ser detectado e protegido. Acho que um exemplo melhor da importância é uma torradeira que está encurtando a rede elétrica para o chassi. Se estiver aterrado, o disjuntor será acionado toda vez que você conectar a torradeira e consertá-la ou adquirir uma nova. Se a torradeira não estiver aterrada, o potencial da rede elétrica está sentado no chassi da torradeira, esperando que você complete o circuito em terra (como tocar a torradeira com uma mão e afundar com a outra). A segunda situação deixa você em perigo significativo. Se a tomada não estiver protegida com um GFCI, você poderá ver vários amplificadores fluindo através de você por vários ms antes de um disjuntor magnético tradicional disparar. Isso é mais do que suficiente para causar danos graves e / ou matar, dependendo do caminho. Se o neutro não estiver amarrado ao chão, não há certeza de que um curto atire a proteção contra sobrecorrente.