Was macht die Netzspannung in Haushalten sicher?

Als ich angefangen habe, Elektrotechnik zu lernen, war eine der wichtigsten Sicherheitsrichtlinien, die ich gelernt habe, dass Spannungen über 36 V gefährlich sein können. Wie mein Schaltkreisprofessor es ausdrückte, werden 120VAC stechen und 240VAC werden ernsthaft schaden.

Jetzt, da ich mehr über diese Spannungen und ihre Gefahren weiß, bin ich verwirrt über die Netzstromversorgung und wie sicher sie ist. Ich sehe oft Leute, die Stromkabel in Steckdosen (un) stecken, die sich hinter einem Schreibtisch oder einer Couch befinden, ohne eine klare Sicht auf das, was sie berühren, zu haben - manchmal mit zwei Händen, um einen besseren Griff zu bekommen, ein definitives Nein-Nein in meinen elektrischen Labors in der Schule. Wie gefährlich ist das Risiko, beispielsweise einen Finger über die heiße und die neutrale Linie zu berühren? Schützen die Leistungsschalter in einem Haus wirklich davor, oder sind 120/240 V Wechselstrom nicht ganz so gefährlich, wie ich denke?

Leistungsschalter reichen nicht aus, um Leben zu schützen. Leistungsschalter verhindern, dass das Kabel in den Wänden Ihres Hauses schmilzt und möglicherweise Feuer fängt. Leistungsschalter und Sicherungen haben die Funktion, ein Feuer zu löschen (was natürlich auch lebensgefährlich ist).

Für den direkten Kontakt mit einem unter Spannung stehenden Wechselstromteil haben wir in Großbritannien Fehlerstromschutzeinrichtungen (RCDs) - diese "lösen" die Versorgung aus, wenn der Strom, der an einem der Wechselstromkabel abgenommen wird, um ~ 20 mA vom Strom am anderen abweicht:

_{(Quelle: diyhowto.co.uk )}

Natürlich wäre eine Sicherung nicht nützlich, da der normale Strom der an den Wechselstrom angeschlossenen Geräte zehn oder mehr Ampere beträgt. Wenn Sie also ein Gerät mit 10 Ampere haben und einen der Wechselstromleiter berühren, ziehen Sie einen Erdstrom von vielleicht 20 mA, wodurch der RCD "aus dem Gleichgewicht" gerät und die Stromversorgung auslöst.

Um beide Endgeräte gleichzeitig zu berühren, muss ein anderes Szenario ins Auge gefasst werden. Ich spreche von Wechselstromnetzen, bei denen ein Leiter (manchmal als Neutralleiter bezeichnet) "erdig" ist, dh, er kann eine Spannung von nur ein paar Volt gegen Erde haben. Wenn Sie nur diesen Draht berühren, ist es sehr unwahrscheinlich, dass der FI-Schutzschalter auslöst ABER wen interessiert das - es sind nur ein paar Volt, die bestenfalls über Ihren Körper gelegt werden und es fließt kaum Strom. Wenn Sie stattdessen beide Wechselstromkabel (stromführend und neutral) berührt haben, wird dem Strom ein Erdstrom entnommen, der immer noch erheblich größer ist als der Erdstrom aus dem Neutralleiter und dem FI-Schutzschalter.

Allerdings werden all diese ~ 20mA immer noch stechen, auch wenn es nur für unter 100 Millisekunden ist. Wird es tödlich sein - möglicherweise für Menschen mit Herzbeschwerden, aber werden diese Leute unter einem Schreibtisch stöbern, um blind einen Stecker in eine Steckdose zu stecken?

Bei AC-Systemen, die von der Erde "isoliert" sind, ist das Berühren eines Kabels kaum zu bemerken, aber das Berühren beider Kabel löst keinen FI aus, und Sie sind in ernster Gefahr - der Strom fließt direkt durch das Gehäuse und vom Leiter zum Dirigent. Glücklicherweise sind solche Installationen nicht sehr verbreitet, aber sicherlich nicht unbekannt. Der Verlust des Neutralleiters kann dieses Problem verursachen.

In einigen Teilen Europas (ich kenne Deutschland und Frankreich) sind die Steckverbinder so hergestellt, dass Sie bei der Arbeit mit dem Steckverbinder nicht versehentlich das Netz berühren, auch wenn Sie sich nicht anstrengen:

(Bild ist aus Wikimedia und gemeinfrei)

Diese spezielle Steckdose wird in Deutschland verwendet. Frankreich hat ein etwas anderes Format (das nicht mit dem in der Abbildung gezeigten Stecker kompatibel ist, sondern mit einer anderen, ähnlichen Form von Steckern), bei dem die Erde nicht an den Seiten liegt (im Bild mit „2“ gekennzeichnet), sondern als dicker Stift aus der Steckdose auftauchen.

Da die Buchse eingebettet ist, ist es nicht möglich, die Hot-Pins beim Einstecken oder Herausziehen zu berühren. Die einzigen berührbaren Metallteile liegen auf Erdpotential und werden angeschlossen, bevor die heißen Drähte angeschlossen werden.

Mit einem Schuko kann man nur einen Schock bekommen, wenn man etwas Leitendes in eines der Löcher stopft. Um kleine Kinder davor zu schützen, sind Sicherheits-Inlays erhältlich (und Steckdosenleisten werden häufig mit einem eingebauten Schutz geliefert).

Zusätzlich werden die von @Andy aka beschriebenen RCDs verwendet.

Wie @venny bemerkt, haben dünne zweipolige Stecker ( Europlugs ) nur am anderen Ende der Stifte Metall.

Was macht es sicher in Haushalten, Unternehmen und Schulen: Nichts macht die Stromversorgung sicherer als strenge Designrichtlinien, die von verschiedenen nationalen und internationalen Standards eingehalten werden. In den USA schreibt der NEC oder National Electric Code vor, wie Haushalte verkabelt werden müssen und welche Geräte zugelassen und nicht zugelassen sind. Es regelt unter anderem, wie die Verkabelung ausgeführt werden soll, wie sie unterstützt, abgeschlossen, eingeschlossen werden soll, welche Kabeltypen für ein Szenario zulässig sind usw.

Für ein elektrisches Gerät, bei dem es sich um ein beliebiges Element handeln kann, das von der Steckdose in Ihrer Wand bis zu einem Gerät wie einem Fernseher reicht, müssen verschiedene Normen eingehalten werden. Dies sind Standards, die von verschiedenen privaten und staatlichen Stellen entwickelt und gepflegt wurden. Viele von ihnen sind international, wie zum Beispiel IEC. Ein Beispiel in den USA wären die Underwriters (UL) Laboratories und die Occupational Safety and Health Administration (OSHA).

Was Sie sicher hält, ist die Zusammenarbeit zwischen Herstellern und diesen verschiedenen Agenturen. Dies stellt sicher, dass ein an die Netzspannung angeschlossenes Gerät sicher in seiner vorgesehenen Funktion verwendet werden kann.

Wo diese sichere Verwendung endet: Wenn Sie mit der Arbeit an der Stromversorgung beginnen, z. B. ein Ingenieur, der ein Offline-Schaltnetzteil entwickelt, sind SIE Ihre eigene Sicherheitsbehörde. Sie müssen vorsichtig sein und grundlegende Vorsichtsmaßnahmen befolgen.

Was macht es sonst noch sicher: Bildung. Schon früh im Leben wird dir gesagt, du sollst dich nicht damit anlegen. Stecken Sie keine Gabeln oder Finger in Steckdosen, Lampenfassungen oder Toaster. Dies wird den meisten Kindern in jungen Jahren beigebracht. Einige von uns waren jedoch etwas neugieriger und ignorierten diese Lehren. Es tat weh, führte uns aber auf einen fantastischen Weg, Interesse daran zu entwickeln, die Grundlagen dafür zu erlernen.

FI-Schutzschalter werden in der Regel nur für Stromkreise verwendet, an die Geräte in feuchten Umgebungen angeschlossen werden. Alle Steckdosen in der Nähe eines Waschbeckens, z. B. in einem Badezimmer oder einer Küche, haben einen FI-Schutzschalter. Auch Steckdosen, die sich außerhalb eines Hauses befinden, müssen mit einem FI-Schutz ausgestattet sein. Aber nehmen Sie das nicht an. Das Mandat für GFCIs ist neu und viele alte Häuser mussten oder machten sich nicht die Mühe, ein Upgrade durchzuführen.

Sie arbeiten einfach, indem sie den Strom beider Beine messen. Der Strom ist auf beiden Beinen immer gleich, es sei denn, es kommt irgendwie aus dem Gerät heraus. Der FI-Schutzschalter erkennt das Ungleichgewicht und öffnet einen Leistungsschalter.

Für Benutzer, die von Steckern geschockt werden: NEMA 5-15-Stecker nach US-amerikanischem Vorbild sind im Allgemeinen sicher genug, da die Stifte keinen unmittelbaren Kontakt mit den internen Kontakten haben. Zu diesem Zeitpunkt ist der Spalt normalerweise zu klein, als dass die Finger zwischen die Stirnfläche des Steckers und die Zinken passen könnten. Wenn Sie bemerken, dass die Steckfläche ziemlich groß ist, vergrößert sich der Abstand zwischen der Kante der Fläche und den Zinken.

Wenn Ihre Finger es sowohl über den heißen als auch über den neutralen Punkt schaffen, werden Sie schockiert. Tatsächlich hätten Sie zwei Wege für Strom, von heiß nach neutral und von heiß nach Masse. Wie sehr tut es weh? Hängt davon ab. Bist du nass oder verschwitzt? dann tut es vielleicht sehr weh oder bringt dich sogar um. Trockene Haut? Es könnte ein schnelles Summen sein.

Andere Gedanken: 120 V oder sogar 240 V sind nicht so hoch, wenn Sie darüber nachdenken. Auf Türmen oder mehr wird Strom mit einer halben Million Volt übertragen. Es wird lokal mit 2,4 bis 28,8 kV an Polen verteilt und kann manchmal bis zu 69 kV betragen. Diese Netzspannungen sind ein Kompromiss zwischen Komfort und Sicherheit. In großen kommerziellen und industriellen Systemen sind Dreiphasensysteme mit 277/480 V üblich. In Kanada war es üblich, dreiphasige 600-V-Systeme zu sehen (auch als 550-V- oder 575-V-Systeme bezeichnet, variiert etwas). Diese höheren Spannungen drückten mehr Leistung auf einen Leiter der gleichen Größe.

Denken Sie daran, dass in vielen (vielleicht den meisten) Fällen, wenn jemand mit Hausstrom in Kontakt kommt, dieser nicht anderweitig geerdet ist. Finger-zu-Finger-Strom an derselben Hand ist unangenehm und schädlich, wenn er fortgesetzt wird (siehe Videos zum Kochen von Würsten auf diese Weise), aber nicht tödlich. Die ernsthaft gefährlichen Situationen sind Hand-zu-Hand oder Hand-zu-Fuß-Situationen, in denen Strom durch das Herz fließt und das Timing stören kann.

Es ist unwahrscheinlich, dass Sie hinter einem Schreibtisch oder was auch immer herumtüfteln und eine Hand auf die Zinken des Steckers halten. Das große Risiko besteht also darin, irgendwo mit der zweiten Hand eine andere Erdung zu finden - ein geerdeter Heizkörper, etwas mit einem Metallgehäuse, das mit der Sicherheitserdung verbunden ist. Sicher möglich, aber angesichts der Statistik anscheinend eher ungewöhnlich.

Es gibt viele Dinge, die suboptimal sind, die wir aber akzeptieren, weil ihre Neugestaltung mehr Mühe bereitet, als wir investieren wollen. Dies scheint einer von ihnen zu sein. Angesichts der umfangreichen Installationsbasis ist es einfacher, Fehlerstrom-Schutzschalter zu installieren, als zu versuchen, einige Milliarden Steckdosen und die dazugehörigen Stecker zu ersetzen.

(Spannung durch Berührung: Mein Großvater berichtet, dass einer seiner Partner, als er Aufzugsreparaturen durchführte, ein absoluter Wahnsinniger war, der die Spannung eines Stromkreises überprüfte, indem er eine Hand sicher aus dem Weg legte und zwei Finger an seiner anderen Hand leckte Die Theorie war, dass dieser bewegliche Kontakt das Risiko des Einklemmens verhinderte, das auftreten kann, wenn sich Muskeln in einer Hand zusammenziehen, die einen lebenden Leiter erfasst, und den Kontakt kurz genug hielt, um das Gewebe nicht wesentlich zu beschädigen Annäherung, aber es zeigt den Punkt, den ich oben gemacht habe: Wenn Sie keinen Strom durch den zentralen Körperkern haben und die Spannung nicht im Kilovoltbereich ist, wird eine kurze Begegnung Sie wahrscheinlich nicht töten das zu Hause, Kinder!)

Gehen Sie nicht davon aus, dass 120 V "sicherer" als 240 V sind. Beide können töten! Bei diesen Spannungen wird nur sehr wenig Strom verbraucht (dh 1/10 Ampere reicht aus, um einen Stromschlag auszuführen). Leistungsschalter und Sicherungen sollen verhindern, dass Stromkreise überlastet werden und einen Brand verursachen. Aus diesem Grund werden FI-Schutzschalter (FI-Schutzschalter) oder Steckdosen in bestimmten Bereichen wie Küchen, Badezimmern, Garagen und Pool- / Saunabereichen verwendet, in denen die Möglichkeit besteht, dass ein angeschlossenes Gerät ins Wasser fällt. Sie verfügen über eine zusätzliche Funktion, um Menschen vor Stromschlägen zu schützen. Bei ordnungsgemäßer Installation lösen sie den Stromkreis aus (öffnen ihn), wenn Streuströme von mehr als 5 mA (1 / 200A) festgestellt werden. Fassen Sie beim Einstecken oder Entfernen von Steckern niemals die (elektrisch leitenden) Metallteile an.

Versorgungsspannungen sind ein Kompromiss. Höhere Spannungen bedeuten mehr Stromschlaggefahr und die Fähigkeit der Elektrizität, weiter zu "springen", aber niedrigere Spannungen bedeuten höhere Ströme, was höhere Verluste und mehr Brandgefahr bedeutet.

Fast die ganze Welt hat Netzspannungen zwischen 100V und 240V gewählt. Diese Spannungen sind hoch genug, um die Verluste und das Brandrisiko unter Kontrolle zu halten, während sie niedrig genug sind, um nicht weit zu springen und um zu überleben, dass viele Schockopfer überleben.

Stecker und Buchsen wurden entwickelt, um die Gefahr zu verringern, dass die Stifte unter Spannung stehen. Die ~ 230V-Länder in der ersten Welt tendieren dazu, diesbezüglich größere Anstrengungen zu unternehmen als die ~ 115V-Länder oder die weniger entwickelten Länder.

Ich bezweifle, dass es verlässliche Statistiken für die Wahrscheinlichkeit gibt, an Stromschlägen zu sterben, da ich sicher bin, dass die große Mehrheit der Menschen, die solche Schocks überlebt haben, diese nicht offiziell meldet, aber die meisten Elektriker, von denen ich spreche, geben an, dass sie es getan haben Mindestens ein Schock aus dem Netz in ihrer Karriere, während Todesfälle durch Stromschläge in Großbritannien (wo ich wohne) auf einer Handvoll pro Jahr liegen.

Vergessen wir nicht, dass die Alternativen zu Strom wie Kerzen und Gasbeleuchtung auch nicht risikofrei sind.