¿Cuánto cuesta hacer flotar un transformador secundario?

Question

Considere un transformador de aislamiento con su secundario referido a tierra a través de una resistencia R como en la siguiente imagen.

simular este circuito – Esquemático creado usando CircuitLab

Si R es infinito, la tensión de salida Salida1-Salida2 flotará con respecto a Tierra. Y si R es un cortocircuito, entonces esa tensión está obviamente referenciada a tierra.

Sin embargo, ¿qué sucede en el medio? ¿Se puede cuantificar o al menos limitar el "desplazamiento flotante" dependiendo de esa resistencia?

Razón de la pregunta: Me pregunto si un simple camino de alta resistencia a tierra como este podría proteger a las personas de descargas eléctricas (en serie con el cuerpo de la persona) debido a un contacto de un solo punto (hasta donde yo sé, nada protege contra un dedo en la salida1 y otro dedo en la salida2)... Pero dejarlo flotar también es peligroso. Soy consciente de los RCDs, solo me pregunto si no es una alternativa segura, por curiosidad.

Answer 1

En general, habrá un voltaje en la salida con respecto a tierra con un valor alto de R debido al acoplamiento capacitivo y la fuga entre los devanados.

Incluso un transformador pantalla (donde la corriente capacitiva se conduce a tierra) tendrá cierto voltaje en cada salida con respecto a tierra. Si la construcción es simétrica, es posible que veas la mitad del voltaje secundario en cada terminal de salida. Sin la pantalla, es posible que veas eso más quizás la mitad del voltaje primario.

No creo que haya una ventaja de seguridad en un resistor (podría ser peor si el resistor puede conducir corriente dañina desde el voltaje secundario), pero podría ser útil en circuitos de bajo nivel para evitar que el secundario se mueva alrededor de 120VAC o cualquier otro valor si no existe ninguna otra conexión a tierra en el circuito.

Answer 2

Estoy en Canadá, y tenemos 600V, delta de 3 fases, no conectado a tierra y flotante.

Si una fase se conecta accidentalmente a tierra, no sucede nada, pero si otra fase diferente se conecta a tierra, los fusibles se quemarán. Estos sistemas tienen un monitor de fallas a tierra.

Los sistemas no conectados a tierra pueden ser más seguros, pero solo si se monitorean las fallas. En casas antiguas, los receptáculos no tenían conexión a tierra. Se puede usar un receptáculo de falla a tierra en este caso y no se necesita conexión a tierra.

En sistemas conectados a tierra sólidamente, el problema es que la conexión a tierra ofrece un buen camino para que una corriente de falla cause daño. Cuando toco una estufa, he completado la mitad del circuito.

Si toco un cable con corriente, no recibo una descarga, pero si al mismo tiempo toco una estufa, resulto dañado.

Otro problema es el arco eléctrico. Sucede cuando un cable en funcionamiento toca una superficie conectada a tierra. El arco eléctrico derrite materiales. La alta temperatura hace que el aire se expanda y propulse los materiales derretidos a gran velocidad.

La conexión a tierra resistiva resuelve algunos de los problemas, pero hay que monitorearla por fallas. La conexión a tierra resistiva reduce el choque a tierra limitando la corriente. También elimina las fallas de arco a tierra. En América del Norte, la conexión a tierra resistiva no es común. En algunos casos, los hospitales usan transformadores aislantes no conectados a tierra para aislar circuitos.

Answer 3

Entiendo que esta es una respuesta tardía pero quería dar mi opinión aquí.

Analizo esta situación en términos de las leyes de Kirchhoff. Dijiste que quieres encontrar una forma de 'cuantificar' el estado intermedio cuando \$R_{aislamiento}\$ no es ni un cortocircuito ni un circuito abierto.

Considera el siguiente circuito, que es esencialmente el mismo que tienes excepto por una carga que añadí:

simula este circuito – Esquema creado usando CircuitLab

\$V_x\$ y \$V_e\$ están referenciados a tierra. Si una persona toca \$\text{OUT}_1\$ con respecto a tierra, puedes encontrar (después de aplicar las leyes de Kirchhoff):

$$ V_e = -\frac{R_{aislamiento}}{R_{aislamiento}+R_{Humano}}V_{in}$$

Y

$$ V_x = V_{in}+V_e$$

Como dijiste, si \$R_{aislamiento}\$ es muy grande entonces (y con respecto a \$R_{Humano}\):

$$ V_e \approx -V_{in}$$

Y por lo tanto \$V_x\approx0\$ lo que significa que casi no pasa corriente o pasa muy poca corriente a través de la persona.

Si \$R_{aislamiento}\$ es un cortocircuito a tierra, entonces \$V_x\$ es el mismo que \$V_{in}\$. Por lo tanto, la corriente a través de la persona puede ser sustancial (piensa que \$V_{in}\$ está en la red principal).

El estado intermedio puede ser cuantificado por los valores de \$R_{aislamiento}\$ y \$R_{Humano}\$ porque determinan cuánto potencial habrá a través de la persona y, por lo tanto, la corriente a través de ella.

La suposición es que la tierra está a cero potencial, lo cual podría ser muy diferente. Pero al menos, esto proporciona algo de información.