Заземление

Предупреждение: статья носит чисто информативный характер и не является нормативным документом. При выполнении работ, связанных с электричеством, следует руководствоваться Правилами устройства электроустановок (ПУЭ).

Определения

Заземление - это преднамеренное соединение нетоковедущих элементов оборудования, которые в результате пробоя изоляции могут оказаться под напряжением, с землёй. Заземление состоит из заземлителя (проводящей части или совокупности соединенных между собой проводящих частей, находящихся в электрическом контакте с землей непосредственно или через промежуточную проводящую среду) и заземляющего проводника, соединяющего заземляемое устройство с заземлителем.

Заземлитель может быть простым металлическим стержнем (чаще всего стальным, реже медным) или сложным комплексом элементов специальной формы. Качество заземления определяется значением электрического сопротивления цепи заземления, которое можно снизить, увеличивая площадь контакта или проводимость среды — используя множество стержней, повышая содержание солей в земле и т.д. Как правило, электрическое сопротивление заземления нормируется.

Главный заземляющий зажим. Для сведения к минимуму электромагнитных помех и обеспечения электробезопасности заземление следует выполнять с минимальным количеством замкнутых контуров. Обеспечение этого условия возможно при выполнении так называемого главного заземляющего зажима (ГЗЗ), или шины. Главный заземляющий зажим должен быть расположен как можно ближе к входным кабелям питания и связи и соединен с заземлителем (заземлителями) проводником наименьшей длины.

Такое расположение ГЗЗ обеспечивает наилучшее выравнивание потенциалов и ограничивает наведенное напряжение от индустриальных помех, грозовых и коммутационных перенапряжений, приходящее извне по экранам кабелей связи, броне силовых кабелей, трубопроводам и антенным вводам. К ГЗЗ (шине) должны быть присоединены:

• заземляющие проводники;
• защитные проводники;
• проводники главной системы уравнивания потенциалов;
• проводники рабочего заземления (если оно необходимо).

С главным заземляющим зажимом (шиной) должны быть соединены заземлители защитного и рабочего (технологического, логического и т. п.) заземления, заземлители молниезащиты и др. Подробно правила и требования устройства ГЗЗ изложены в ПУЭ.

Открытая токопроводящая часть – доступная прикосновению проводящая часть электроустановки, нормально не находящаяся под напряжением, но которая может оказаться под напряжением при повреждении основной изоляции. К открытым проводящим частям относятся металлические корпуса электрооборудования.

Токоведущая часть – электропроводящая часть электроустановки, находящаяся в процессе ее работы под рабочим напряжением.

Косвенное прикосновение – электрический контакт людей и животных с открытыми проводящими частями, оказавшимися под напряжением при повреждении изоляции. То есть это прикосновение к металлическому корпусу электрооборудования при пробое изоляции на корпус.

Обозначения

Проводники защитного заземления во всех электроустановках, а также нулевые защитные проводники в электроустановках напряжением до 1 кВ с глухозаземленной нейтралью, в том числе шины, должны иметь буквенное обозначение РЕ и цветовое обозначение чередующимися продольными или поперечными полосами одинаковой ширины (для шин от 15 до 100 мм) желтого и зеленого цветов. Нулевые рабочие (нейтральные) проводники обозначаются буквой N и голубым цветом. Совмещенные нулевые защитные и нулевые рабочие проводники должны иметь буквенное обозначение PEN и цветовое обозначение: голубой цвет по всей длине и желто-зеленые полосы на концах.[1]

Графические символы, используемые для обозначения проводников на схемах:

Обозначение заземления:

Буквенные обозначения системы заземления

Первая буква в обозначении системы заземления определяет характер заземления источника питания:

T – непосредственное соединения нейтрали источника питания с землёй;
I – все токоведущие части изолированы от земли.

Вторая буква определяет характер заземления открытых проводящих частей электроустановки здания:

T – непосредственная связь открытых проводящих частей электроустановки здания с землёй, независимо от характера связи источника питания с землёй;
N – непосредственная связь открытых проводящих частей электроустановки здания с точкой заземления источника питания.

Буквы, следующие через чёрточку за N, определяют характер этой связи – функциональный способ устройства нулевого защитного и нулевого рабочего проводников:

S – функции нулевого защитного PE и нулевого рабочего N проводников обеспечиваются раздельными проводниками;
C – функции нулевого защитного и нулевого рабочего проводников обеспечивается одним общим проводником PEN.

Ошибки в устройстве заземления

Неправильные PE-проводники

Иногда в качестве заземлителя используют водопроводные трубы или трубы отопления, однако их нельзя использовать в качестве заземляющего проводника.[2] В водопроводе могут быть непроводящие вставки (например, пластиковые трубы), электрический контакт между трубами может быть нарушен из-за коррозии, и, наконец, часть трубопровода может быть разобрана для ремонта.

Объединение рабочего нуля и PE-проводника

Другим часто встречающимся нарушением является объединение рабочего нуля и PE-проводника за точкой их разделения (если она есть) по ходу распределения энергии.[3] Такое нарушение может привести к появлению довольно значительных токов по PE-проводнику (который не должен быть токоведущим в нормальном состоянии), а также к ложным срабатываниям устройства защитного отключения (если оно установлено).

Неправильное разделение PEN-проводника

Крайне опасным является следующий способ «создания» PE-проводника: прямо в розетке определяется рабочий нулевой проводник и ставится перемычка между ним и PE-контактом розетки. Таким образом, PE-проводник нагрузки, подключенной к этой розетке, оказывается соединенным с рабочим нулем.

Опасность данной схемы в том, что на заземляющем контакте розетки, а, следовательно, и на корпусе подключенного прибора появится фазный потенциал, при выполнении любого из следующих условий:

• Разрыв (рассоединение, перегорание и т.д.) нулевого проводника на участке между розеткой и щитом (а также далее, вплоть до точки заземления PEN-проводника);
• Перестановка местами фазного и нулевого (фазный вместо нулевого и наоборот) проводников, идущих к этой розетке.

Защитная функция заземления

Принцип защитного действия

Защитное действие заземления основано на двух принципах:

• Уменьшение до безопасного значения разности потенциалов между заземляемым проводящим предметом и другими проводящими предметами, имеющими естественное заземление.
• Отвод тока утечки при контакте заземляемого проводящего предмета с фазным проводом. В правильно спроектированной системе появление тока утечки приводит к немедленному срабатыванию защитных устройств (устройств защитного отключения — УЗО).

Таким образом, заземление наиболее эффективно только в комплексе с использованием УЗО. В этом случае при большинстве нарушений изоляции потенциал на заземленных предметах не превысит опасных величин. Более того, неисправный участок сети будет отключен в течение очень короткого времени (десятые-сотые доли секунды — время срабатывания УЗО).

Работа заземления при неисправностях электрооборудования

Типичный случай неисправности электрооборудования — попадание фазного напряжения на металлический корпус прибора вследствие нарушения изоляции[4]. Следует отметить, что современные электроприборы, имеющие импульсный источник вторичного электропитания, и снабжённые трёх-полюсной вилкой (такие как системный блок ПЭВМ), при отсутствии заземления имеют опасный потенциал на корпусе, даже когда они полностью исправны.[5]

В зависимости от того, какие защитные мероприятия реализованы, возможны следующие варианты:

• Корпус не заземлен, УЗО отсутствует (наиболее опасный вариант). Корпус прибора будет находиться под фазным потенциалом и это никак не будет обнаружено. Прикосновение к такому неисправному прибору может быть смертельно опасным.
• Корпус заземлен, УЗО отсутствует. Если ток утечки по цепи фаза-корпус-заземлитель достаточно велик (превышает порог срабатывания предохранителя, защищающего эту цепь), то предохранитель сработает и отключит цепь. Наибольшее действующее напряжение (относительно земли) на заземленном корпусе составит Umax=RG•IF, где RG − сопротивление заземлителя, IF − ток, при котором срабатывает предохранитель, защищающий эту цепь. Данный вариант недостаточно безопасен, так как при высоком сопротивлении заземлителя и больших номиналах предохранителей потенциал на заземленном проводнике может достигать довольно значительных величин. Например, при сопротивлении заземлителя 4 Ом и предохранителе номиналом 25 А потенциал может достигать 100 вольт.
• Корпус не заземлен, УЗО установлено. Корпус прибора будет находиться под фазным потенциалом и это не будет обнаружено до тех пор, пока не возникнет путь для прохождения тока утечки. В худшем случае утечка произойдет через тело человека, коснувшегося одновременно неисправного прибора и предмета, имеющего естественное заземление. УЗО отключает участок сети с неисправностью, как только возникла утечка. Человек получит лишь кратковременный удар током (0,01÷0,3 секунды — время срабатывания УЗО), как правило, не причиняющий вреда здоровью.
• Корпус заземлен, УЗО установлено. Это наиболее безопасный вариант, поскольку два защитных мероприятия взаимно дополняют друг друга. При попадании фазного напряжения на заземленный проводник ток течет с фазного проводника через нарушение изоляции в заземляющий проводник и далее в землю. УЗО немедленно обнаруживает эту утечку, даже если та весьма незначительна (обычно порог чувствительности УЗО составляет 10 мА или 30 мА), и быстро (0,01÷0,3 секунды) отключает участок сети с неисправностью. Помимо этого, если ток утечки достаточно велик (превышает порог срабатывания предохранителя, защищающего эту цепь), то может также сработать и предохранитель. Какое именно защитное устройство (УЗО или предохранитель) отключит цепь — зависит от их быстродействия и тока утечки. Возможно также срабатывание обоих устройств.

Разновидности систем заземления

В России требования к заземлению и его устройство регламентируются Правилами устройства электроустановок (ПУЭ).

Классификация типов систем заземления приводится в качестве основной из характеристик питающей электрической сети. ГОСТ Р 50571.2 рассматривает следующие системы заземления: TN-C, TN-S, TN-C-S, TT, IT.

Система TN
Нейтраль источника глухо заземлена, корпусы электрооборудования присоединены к нейтральному проводу. Режим TN может быть трех видов: TN-C, TN-S, TN-C-S.

Система TN-C
Система TN-C (фр. Terre-Neutre-Combine) предложена немецким концерном АЭГ (AEG, Allgemeine Elektricitäts-Gesellschaft) в 1913 году. Рабочий ноль и PE-проводник (Protection Earth) в этой системе совмещены в один провод. Самым большим недостатком было образование линейного напряжения (в 1,732 раза выше фазного) на корпусах электроустановок при аварийном обрыве нуля. Несмотря на это, на сегодняшний день можно встретить данную систему заземления в постройках стран бывшего СССР.

Система TN-S
На замену условно опасной системы TN-C в 1930-х была разработана система TN-S (фр. Terre-Neutre-Separe), рабочий и защитный ноль в которой разделялись прямо на подстанции, а заземлитель представлял собой довольно сложную конструкцию металлической арматуры. Таким образом, при обрыве рабочего нуля в середине линии, корпуса электроустановок не получали линейного напряжения. Позже такая система заземления позволила разработать дифференциальные автоматы и срабатывающие на утечку тока автоматы, способные почувствовать незначительный ток. Их работа и по сей день основывается на законах Кирхгофа, согласно которым текущий по фазному проводу ток должен быть численно равным текущему по рабочему нулю току.

Также можно наблюдать систему TN-C-S, где разделение нулей происходит в середине линии, однако в случае обрыва нулевого провода до точки разделения корпуса окажутся под линейным напряжением, что будет представлять угрозу для жизни при касании.

Система TN-C-S
В системе TN-C-S трансформаторная подстанция имеет непосредственную связь токоведущих частей с землёй. Все открытые проводящие части электроустановки здания имеют непосредственную связь с точкой заземления трансформаторной подстанции. Для обеспечения этой связи на участке трансформаторная подстанция – электроустановки здания применяется совмещенный нулевой защитный и рабочий проводник (PEN), в основной части электрической цепи – отдельный нулевой защитный проводник (PE).

Система TT
В системе TT трансформаторная подстанция имеет непосредственную связь токоведущих частей с землёй. Все открытые проводящие части электроустановки здания имеют непосредственную связь с землёй через заземлитель, электрически не зависимый от заземлителя нейтрали трансформаторной подстанции.

Система IT
Нейтраль источника изолирована или заземлена через приборы или устройства, имеющие большое сопротивление, корпуса электрооборудования глухо заземлены. Система IT применяется, как правило, в электроустановках зданий и сооружений специального назначения.

ВЫВОДЫ

В качестве общих рекомендаций для выбора той или иной сети можно указать следующее:
1. Сети ТN-C и ТN-C-S не следует использовать из-за низкого уровня электро- и пожаробезопасности, а также возможности значительных электромагнитных возмущений.
2. Сети TN-S рекомендуются для статичных (не подверженных изменениям) установок, когда сеть проектируется «раз и навсегда».
3. Сети ТТ следует использовать для временных, расширяемых и изменяемых электроустановок.
4. Сети IT следует использовать в тех случаях, когда бесперебойность электроснабжения является крайне необходимой.

Возможны варианты, когда в одной и той же сети следует использовать два или три режима. Например, когда вся сеть получает питание по сети TN-S, а часть ее через разделительный трансформатор по сети IT.

Резюмируя изложенное выше, отметим, что ни один из способов заземления нейтрали и открытых проводящих частей не является универсальным. В каждом конкретном случае необходимо проводить экономическое сравнение и исходить из критериев: электробезопасности, пожаробезопасности, уровня бесперебойности электроснабжения, технологии производства, электромагнитной совместимости, наличия квалифицированного персонала, возможности последующего расширения и изменения сети.

ПРИМЕЧАНИЯ

[1] пункт 1.1.29 ПУЭ
[2] пункты 1.7.122 и 1.7.123 ПУЭ
[3] 1.7.135 ПУЭ
[4] При других типах неисправностей заземление менее эффективно, поэтому они здесь не рассматриваются
[5] В схеме импульсного источника вторичного электропитания присутствуют входные проходные или обычные конденсаторы, включенные как между питающими проводниками, так и (в случае наличия металлического корпуса и трёхполюсной вилки) между каждым питающим проводником и корпусом прибора, в этом случае они представляют делитель напряжения, сообщающий корпусу потенциал, примерно равный половине напряжения питания. Этот потенциал обычно присутствует, даже когда прибор выключен имеющимися у него средствами. В наличии потенциала на корпусе можно убедиться с помощью неонового пробника.

В статье использованы материалы из Википедии,
и сайта журнала «Новости Электротехники».