Начинающим электрикам о заземлении

Работа сделана по книге Найфельда "Заземление и другие защитные меры", 1975 год издания.

Эта работа в формате PDF

Заземление в сетях с изолированной нейтралью

рисунок: сопротивление утечки и емкостное сопротивление в сети с изолированной нейтралью

Сначала рассмотрим сети с изолированной нейтралью (нейтральной точкой вторичной обмотки трансформатора). В сети с исправной изоляцией имеют место токи утечки и емкостные токи (рис. 1). Они протекают и между фазами непосредственно (это на рис. 1 не показано), и через землю. Величина этих токов, однако, невелика. Все электрики должны помнить допустимую величину сопротивления изоляции - не менее 0.5 Мом. Ток при напряжении 220 вольт и сопротивлении 0.5 Мом будет 0.00044 А. Половина тысячной ампера.

рисунок: поражение токами утечки и емкостными токами в сети с изолированной нейтралью

Тем не менее, токи утечки (и емкостные) могут нанести поражение, и даже смертельное, если человек коснётся фазного провода (рис. 2). Чем выше напряжение сети, тем опаснее такие токи.

рисунок: замыкание на землю в сети с изолированной нейтралью

Что произойдёт, если в одном месте цепи нарушится изоляция и произойдёт замыкание? Замыкание либо на землю, либо на металлическую конструкцию (опору, корпус электродвигателя, корпус светильника, корпус распределительного шкафа и т. п.) соединённую с землёй . Допустим, что в других местах изоляция исправна (рис. 3). Будут иметь место токи через сопротивления утечки и емкостные сопротивления.

рисунок: поражение человека в сети с изолированной нейтралью

Если при таком замыкании человек, стоящий на земле, коснётся другой фазы, это будет для него смертельно опасно - он окажется под линейным напряжением, то есть под напряжением между двумя фазами (рис. 4).

рисунок: межфазное замыкание в сети с изолированной нейтралью

А что будет, если в другом месте замыкает на землю другая фаза? Между фазами побежит ток (рис. 5). Может сработать защита. А может и не сработать. Может сработать не сразу. Это будет зависеть от величины тока. А величина тока зависит от сопротивления земли, которое может быть очень разным, различаться на порядки в зависимости от влажности, промерзания, состава грунта (песок, глина или скала) и т. п. Для человека, попавшего под действие такого тока, это смертельно опасно. И даже если он не касается замкнувших проводников, он может попасть под напряжение шага.

рисунок: заземление в сети с изолированной нейтралью

Чтобы избежать такой опасности, делается защитное заземление. Металлоконструкции могущие попасть под напяжение, электрически соединяются с проводником, который соединён с Землёй. Соединён с Землёй он обычно в подстанции. По специальным правилам зарыта в землю специальная железяка и соединена с заземляющим проводом. Что произойдёт при ситуации, как на рисунке 5, но если имеется защитное заземление? Смотрим рис. 6 Ток замыкания пойдёт по заземляющему проводнику. Через землю ток тоже пойдёт, но его величина будет гораздо меньше, чем на рис.5. Общий ток будет большим, и поэтому сработает защита. Чтобы защита наверняка сработала, сопротивление заземляющего проводника должно быть достаточно низким. Он должен быть достаточно толстым, чтобы не отгореть от большого тока.

А зачем нужно соединять защитный провод с землёй? Что это даёт? Может, достаточно просто соединить металлоконструкции друг с другом проводником, чтобы срабатывала защита? Земля является дополнительным защитным проводником (если металлоконструкции соединены с землёй), а случае обрыва основного (защитного проводника), и единственным, хотя и не очень надёжным (рис.5) Я так это понимаю.

Заземление в сетях с заземлённой нейтралью

рисунок: поражение человека в сети с заземлённой нейтралью

Теперь перейдём к сетям с заземлённой нейтралью. Что произойдёт, если человек, стоящий на земле, коснётся фазного провода в такой сети (рис. 7)? Это смертельно опасно. Хотя напряжение, под которое он попадёт, будет фазным, (то есть если напряжение между фазами 380 В, человек попадёт под 220 В) ток, идущий через него, может быть очень большим. Сила тока и, соответственно, степень поражения будет зависеть от сопротивления цепи.

рисунок: замыкание на землю в сети с заземлённой нейтралью

Так же опасна ситуация, когда фазный провод замыкает на землю или на металлоконструкцию, соединённую с землёй (рис. 8). Сравните рисунок 8 с рисунком 5. Что общего в изображённых ситуациях? Через человека проходит большой ток, зависящий от сопротивления земли. Образуется напряжние шага. Защита может сработать, а может и не сработать. На рис. 5 человек оказывается под линейным напряжением, а на рис. 8 под фазным, но погибнуть можно и от фазного напряжения.

рисунок: замыкание на землю в сети с заземлённой нейтралью при наличии заземления

Теперь посмотрим, что произойдёт при замыкании, если выполнено защитное заземление (рис. 9). Опять же сравните рисунки 9 и 6. Целей защитного заземления две: 1. При замыкании вызвать срабатывание защиты (защитное отключение) 2. Уменьшить напряжение и ток, которым может подвергнуться человек при нарушении изоляции и замыкании.

Встречается термин (защитное) зануление. Что под этим имеется в виду? Под занулением понимается электрическое соединение с нейтралью трансформатора. Смотрите рисунок 9. На нём показано зануление, а поскольку нейтраль трансформатора заземлена, оно же есть и защитное заземление. В сетях с изолированной нейтралью зануление не применяется. Почему? Оно сильно ухудшило бы ситуацию с безопасностью. Почему, я не буду подробно писать, об этом написано в пособии Найфельда. Если в такой сети наряду с занулением было бы применено заземление, то у нас получилась бы сеть с заземлённой нейтралью. как на рисунке 9. Она была бы лишена преимуществ сети с изолированной нейтралью.

рисунок: повторное заземление в сети с заземлённой нейтралью

Нередко выполняется повторное, или дополнительное заземление (рис. 10). Процитирую Найфельда: "Дополнительное заземление не ухудшает, а часто улучшает безопасность сетей и электроустановок." При замыкании оно уменьшает ток на зануляющем проводнике, уменьшает напряжение шага, способствует более быстрому срабатыванию защиты. Для повторного заземления часто используются естественные заземлители - проложенные в земле трубопроводы, соединённые с землёй металлоконструкции, наружные оболочки кабелей.

Приведу цитату из ПУЭ: "1.7.61. При применении системы TN рекомендуется выполнять повторное заземление РЕ- и PEN-проводников на вводе в электроустановки зданий, а также в других доступных местах. Для повторного заземления в первую очередь следует использовать естественные заземлители. Сопротивление заземлителя повторного заземления не нормируется." Значение терминов TN, PE, PEN описано ниже Что может и что не может быть использовано в качестве естественного заземлителя, об этом сказано в ПУЭ 1.7.109 и 1.7.110.

рисунок: неправильное повторное заземление в сети с заземлённой нейтралью

Важно помнить, что недопустимо выполнить дополнительное заземление и при этом отсоединиться от основного провода заземления - зануления. Почему? Смотрим рис. 11. В этом случае при замыкании защитное отключение может не сработать, так как, что я уже объяснял, сопротивление земли может быть очень разным.

рисунок: система заземления TT

Однако в ПУЭ разрешено использовать систему заземления, электрически не связанную с заземлённой нейтралью трансформатора (рис. 11-1). Эта система называется ТТ. Она допускается только в тех случаях, когда условия электробезопасности в системе TN (то есть при заземлении способом, как на рисунке 9) не могут быть обеспечены. В системе ТТ обязательно применение УЗО.

Процитирую ПУЭ 1.7.57. "Электроустановки напряжением до 1 кВ жилых, общественных и промышленных зданий и наружных установок должны, как правило, получать питание от источника с глухозаземленной нейтралью с применением системы TN." Посему подавляющее большинство сетей 380/220 В в наших городах, сёлах и на предприятиях - это сети с заземлённой нейтралью.

Но как точно определить, какая сеть, с изолированной или с заземлённой нейтралью?

У сети с изолированной нейтралью нет нулевого рабочего провода, но есть заземляющий. Если сеть исправна, заземляющий проводник с фазными электрически напрямую не связан (хотя может быть связан через устройства с большим сопротивлением). В сетях с заземлённой нейтралью, как правило, хотя и не всегда, из подстанции в распределительные пункты (щиты, шкафы) приходят 4 провода (жилы кабеля) - 3 фазных и один заземляющий, он же нулевой рабочий (этот провод называют PEN-проводником). PEN-проводник обычно приходит на шину, которая соединена с корпусом щита или шкафа и к которой присоединены и нулевые рабочие, и заземляющие провода. Далее же нулевой рабочий провод идёт отдельной жилой (его также называют N-проводником), а провод заземления отдельной жилой (PE-проводник). Нередко PEN-проводник идёт дальше и разветвляется на нулевой рабочий и заземляющий в распределительном пункте более низкого уровня, например, этажном щитке. Провод заземления также называют нулевым защитным, в отличие от нулевого рабочего. И нулевой рабочий, и заземляющий провод имеют электрическую связь с фазными проводами и через обмотку трансформатора, и через нагрузку, например, светильники. Сопротивление между ними низкое. Вообще, если в сети имеются потребители, работающие от "фазы" и "нуля" (что можно проверить, например, индикатором напряжения на работающей розетке), то это сеть с заземлённой нейтралью. Если в сети имеются и нулевой рабочий провод , и провод заземления, то это сеть с заземлённой нейтралью.

Как не следует выполнять заземление.

рисунок: нельзя делать заземление через выключатель

Провод заземления не должен идти через выключатель (рис. 12). Он может быть случайно выключен, и заземление окажется неработающим. Также недопустимо подключать заземление через предохранитель.

рисунок: заземление как ответвление нулевого рабочего провода

На рис. 13 показано, что может произойти, если заземление выполнено как ответвление нулевого рабочего провода. Если нулевой провод будет оборван или отгорит до такого ответвления, заземлённый таким образом объект окажется под напряжением.

рисунок: заземление как ответвление нулевого рабочего провода

А как быть, если нет отдельного заземляющего провода (в старых сетях)? Пособие Найфельда приводит как правильный вариант заземления, как на рисунке 13-1. То есть заземление (правильнее его будет назвать защитным занулением) взято с общего нулевого рабочего провода . Однако если и он отгорит, опять же корпус окажется под напряжением. Тем не менее, как я понимаю (не уверен, что я прав), такое решение соответствует современным правилам (Нормы устройства сетей заземления 7.21, 10.10.10, сами почитайте). Допустим, вы купили люстру с зажимом для заземляющего провода, а в вашей старой квартире из потолка заземляющий провод не торчит. 7.21 и 10.10.10 запрещают заземлять (занулять) люстру от нулевого рабочего провода. Согласно правилам вы должны протянуть провод заземления (или нулевой защитный провод) от ответвительной коробки, щитка, где (при отсутствии заземляющего провода) вы можете запитать его от нулевого рабочего провода. Кто не хочет этого делать, может оправдаться тем, что "Нормы распространяются на все вновь сооружаемые и реконструируемые электроустановки" (ПУЭ 1.1.1 , Нормы устройства сетей заземления 1.1) и не занулять люстру.

рисунок: недопустимость перемычки между нулевым рабочим проводом и проводом заземления

Обычно нулевой рабочий и заземляющий провод ответвляются от общего провода (PEN-проводника) в элеткрощитах (щитках, шкафах). Запрещено электрически соединять нулевой рабочий и заземляющий провода после того, как они разветвились от общего провода (рис. 13-2). (ПУЭ 1.7.135.) Почему?

рисунок: рабочий ток при наличии перемычки между нулевым рабочим проводом и проводом заземления

Потому, что тогда рабочий ток (как и ток короткого замыкания, если таковое случится) пойдёт не только через нулевой рабочий, но и через заземляющий провод. Если корпуса элекрооорудования соединены с землёй, какой - то ток, возможно, ничтожно малый, пойдёт через них на землю (рис. 13-0-3). Корпуса оборудования могут оказаться под напряжением (возможно, ничтожно малым, а возможно, и заметным). Допустим, что в такой ситуации у нас вышел из строя (отгорел, оборвался) либо нулевой рабочий, либо заземляющий провод (провода нередко отгорают в местах соединений). Возможно, мы об этом даже не узнаем, потому что вместо вышедшего из строя у нас станет работать оставшийся провод. Кто-то может подумать, что это хорошо.

рисунок: перекос фаз

Но что произойдёт, если впоследствии выйдет из строя оставшийся провод? Сначала рассмотрим другой случай. Допустим, нуль и заземление не связаны, и отгорел нулевой провод. (Рис. 13-0-1) Кстати, поскольку через них идёт рабочая нагрузка, нулевые провода отгорают гораздо чаще, чем заземляющие. В сети возникнет так называемый "перекос фаз" - неравномерность фазного напряжения, пропорциональная неравномерности нагрузки. (Неравномерность нагрузки - это когда суммарные мощности потребителей, запитанных от разных фаз, отличаются друг от друга). Однофазное оборудование (например, светильники) может оказаться либо под очень высоким, либо очень низким напряжением и выйти из строя. Трёхфазное оборудование также может выйти из строя из-за неравномерного напряжения.

рисунок: ноль и заземление отгорели

Теперь рассмотрим случай, когда ноль и заземление связаны перемычкой, и оба они отгорели. (Рис. 13-0-2) Найдите отличия от предыдущего рисунка. Мы имеем ещё одно "удовольствие". Корпуса оборудования окажутся под напряженем (через нагрузку). Величина этого напряжения будет зависеть от неравномерности нагрузки. Наибольшим напряжение будет, если в такой ситуации окажется однофазный участок сети, например, квартира. Это если у нас нет короткого замыкания (на корпус или на нулевой провод).

рисунок: последствия замыкания, когда ноль и заземление отгорели

А если произойдёт короткое замыкание, из-за которого отгорит один из проводов (нулевой или заземляющий), а другой провод уже отгорел ранее, или они оба отгорят? Тогда корпуса у нас окажутся под фазным напряжением (220 в), а однофазное оборудование, запитанное от двух из трёх фаз, окажется под линейным напряжением (380 в). Смотрите рисунок 13-0 .

рисунок: напряжение на заземляющем проводе

Многие посетители этой страницы жалуются на напряжение на заземляющем проводе. Уточню: напряжение между заземляющим проводом и потенциалом Земли, который могут иметь, например, трубы водопровода или отопления. Это напряжение может показать емкостной индикатор напряжения - отвёртка. Одну из возможных причин этого - перемычку между нулевым рабочим и заземляющим проводом я описал выше. Другая причина - использование заземляющего провода в качестве нулевого рабочего, возможно, в сочетании с обрывом заземляющего провода или плохим контактом его соединения. Если же на заземляющем проводе все 220 вольт - дело опасное, не касайтесь корпусов - вероятен обрыв (отгорание) заземляющего провода в сочетании с замыканием фазы на него или на корпус. Ещё одну причину опишу подробнее. Как известно, любой проводник обладает сопротивлением. При прохождении тока по нему в нём происходит падение напряжения, пропорциональное доле сопротивления проводника в общем сопротивлении цепи. Это падение можно измерить, соединив вольтметр с двумя концами проводника. Если сопротивление проводника малое (например, это относительно толстый и короткий кабель), то и падение напряжения малое. Если же оно большое (например, это длинный и тонкий провод воздушной линии), то и падение большое. Вот в сетях, запитанных от воздушных линий и бывает нередко такая ситуация. Посмотрите на рис. 13-0-4 Допустим, до разветвления общий нулевой (заземляющий) провод (PEN - проводник) идёт от подстанции алюминиевым проводом по столбам через пять улиц. Сопротивление этого провода относительно велико. Как следствие, возможен и перекос фаз и напряжение на заземляющем проводе и заземлённых корпусах. Кстати, сопротивление фазных проводов воздушной линии будет столь же велико, ведь они идут по тем же столбам, и, как правило, имеют такую же толщину Тут может помочь более равномерное распределение нагрузки по фазам, а также дополнительное (повторное) заземление. ПУЭ (1.7.102) предписывает делать его на концах воздушных линий и ответвлений от них длиной больше 200 метров. Читайте также нормы устройства сетей заземления (5.18 - 5.20, 10.3)

Что будет, если перепутать нулевой рабочий и заземляющий провода

Я выше писал, что на нулевом рабочем проводе может быть напряжение. Это напряжение окажется на вашем корпусе. Рабочий же ток пойдёт через заземляющий провод, что создаст (возможно, ничтожно малое) напряжение на нём и корпусах, заземлённых правильно. Также увеличится вероятность отгорания заземляющего провода. Если он отгорит, нод напряжением окажутся корпуса, заземлённые правильно.

рисунок: последствия неправильного заземления

Вот ещё пример последствий неправильного заземления (рис. 13-3). Левый светильник заземлён (неправильно) от нулевого рабочего провода, правый - от заземляющего. Допустим, у нас отгорел нулевой магистральный провод. Тогда у нас ток пойдёт следующим образом: от фазы через лампы на нулевой провод, далее через неправильное заземление первого светильника на его корпус, затем по цепи, на которой висит светильник, по балке, снова по цепи на корпус второго светильника и далее в заземляющий провод. Свет будет гореть. Но если вы пошевелите цепи, на которых висят светильники, они заискрят, да ещё током вас долбанёт. Такая ситуация мне встречалась часто.

рисунок: заземление не должно выполняться последовательно

Заземление не должно выполняться последовательно.

рисунок: следствие заземления, выполненного последовательно
рисунок: правильно выполненное заземление

Значения некоторых терминов

Значения терминов подробно разъяснены в ПУЭ и Нормах устройства сетей заземления

Что означают термины "система заземления TT, TN, IT" и т. д.?
Если первая буква в этих сокращениях "T" (от слова "terra" - земля), то это система с заземлённой нейтралью, если "I", то с изолированной нейтралью. Если вторая буква "T" (например, "TT"), то открытые проводящие части (например, корпуса) заземлены, но не присоединены к нейтрали. Если вторая буква "N", то открытые проводящие части присоединены к глухозаземлённой нейтрали. Третья и последующие буквы, если они есть (например, "TN-S") означают, разделены или совмещены в одном проводе нулевой рабочий и нулевой защитный (то бишь заземляющий) проводники. Если третья буква "S" (от слова "separate" - отдельный), то каждый из этих проводников идёт отдельным проводом по всей системе. Если "C" ("common" - общий), то они совмещены в одном проводе. Если "C-S" (например, "TN-C-S"), то общий (нулевой рабочий и заземляющий) провод затем разветвляется.

Что означают термины "N-проводник, PE-проводник, PEN-проводник"?
N - нулевой рабочий; PE - нулевой защитный (заземляющий); PEN - совмещённый нулевой рабочий и защитный.

Электроустановки с каким напряжением следует заземлять?

рисунок: какие электроустановки следует заземлять в зависимости от напряжения

Сошлюсь на стандарт МЭК 364-4-41-1992 (я не уверен, что он не устарел). Я его изобразил графически.

Какого цвета обычно бывает изоляция заземляющего провода?

рисунок: цвет изоляции заземляющего проводника

Желто-зелёные полосы. (ПУЭ 1.7.154)

Что такое и для чего нужно выравнивание потенциалов?

Если между двумя точками имеется разность потенциалов (напряжение) и проводящая среда (например, тело человека), то между ними побежит ток. Ток может вызвать поражение человека, искрение, которое приведёт к пожару и другие вредные последствия. Чтобы этого избежать, выполняется выравнивание потенциалов: части оборудования, зданий и сооружений либо соединяются специальным проводником, либо сами их проводящие ток конструкции надёжно соединяются между собой. Также они соединяются с заземляющим (зануляющим) проводом. Выравнивание потенциалов считается мерой, дополнительной к заземлению. Как и в каких случаях его выполнять, об этом написано в Нормах устройства сетей заземления (10-11-40, 10-12-3 и другие разделы).

Читайте Найфельда, ПУЭ, а также Нормы устройства сетей заземления. Там всё точнее и подробнее.


Часто задают вопросы:

Почему нулевой провод тоньше фазных?

Нулевой провод делается тоньше фазных, потому что ток, который по нему протекает, меньше тока, протекающего по фазным проводам.

рисунок: нулевое напряжение на нулевой шине при равномерном распределении нагрузки по фазам

Если нагрузка по фазам в сети распределена (строго) равномерно, токи в ней бегут от фазных проводов к другим фазным проводам. Падение напряжение в сети будет таким, что на нулевой шине окажется потенциал нейтрали и ток в нулевом проводе будет равен нулю. При неравномерности нагрузок в нулевом проводе появляется ток. Он тем больше, чем больше неравномерность.

Зачем нужен нулевой провод?

О том, что нулевой и заземляющий проводники обычно идут от подстанции одним проводом, и зачем нужен заземляющий провод, я писал выше. Теперь о функции нулевого рабочего провода. Он нужен, чтобы не было "перекоса фаз", который я описал выше. Хотя электрики и стремятся добиться равномерности нагрузки (например, подключая равное количество квартир к каждой фазе), неравномерность всё равно имеет место быть. Вы щёлкнули выключателем - и уже изменили соотношение нагрузок. Почему же когда есть нулевой провод, "перекоса фаз" не наблюдается? Во первых, когда к нулевому проводу подключено множество потребителей, неравномерность нагрузки проявляется в гораздо меньшей степени. Когда вы включаете телевизор, чтобы посмотреть футбол, есть вероятность, что и соседи ваши, которые "сидят" на других фазах, тоже включают свои телевизоры. Во вторых, нулевой провод соединён с нейтралью. Нейтраль - это такая точка во вторичной обмотке трансформатора, к которой присоединены одним концом три одинаковых симметричных обмотки. Другим концом они присоединены к фазным проводам. Предположим, нагрузка по фазам распределена равномерно. И вдруг в какой-то фазе она увеличивается.

рисунок: стабильное фазное напряжение при увеличении нагрузки  на одной фазе

Будет происходить следущее:

Так достигается равномерность фазных напряжений.

Почему отгорает нулевой провод?

Потому что ток через него идёт. Отгорает он обычно в местах некачественно сделанных соединений. Если сопротивление соединения велико, на нём начинает выделяться тепло. От тепла соединение окисляется, сопротивление его ещё больше увеличивается, оно греется ещё сильнее. Если процесс пошёл, рано или поздно провод отгорит. Запомните нехитрую премудрость: чем больше площадь контакта, тем соединение надёжнее. И если скрутка длиной 1 см. отгорит через месяц, 2 см. - через год, то длиной 5 см. и длиннее будет служить (может быть) вечно. Сделайте скрутку подлиннее, вам чё, провода, чтоли, жалко? Для надёжности можно ещё накрутить на скрутку кусочек неизолированного провода. Ещё лучше пропаять или сварить скрутку. Сейчас в ходу специальные колпачки, накручиваемые на соединения - "СИЗы". Сами по себе они только увеличивают надёжность соединения, но в то, что достаточно накрутить СИЗ, и надёжность обеспечена, я не верю. Тщательно зачищайте соединяемые поверхности (напильником, ножом), но не наждачной бумагой (её зёрна могут ухудшить качество соединения). Когда делаете петлю провода под болтовое (винтовое) соединение, шваркните её несколько раз напильником (надфилем), чтобы площадь контакта больше была. Затяните винт или болт до упора, через них ток пойдёт. Позаботьтесь, чтоб соединение не ослабло со временем. Используйте хорошую, не ржавую и не окисленную шайбу, а также шайбу Гровера. Не соединяйте непосредственно медные и алюминиевые провода, используйте для этого (стальные) зажимы.


Наверх

Эта работа в формате PDF

На домашнюю страницу