Правильное устройство заземления электроустановок является необходимым условием для безопасного использования любого электрического оборудования. Корректно выполненное заземление может предотвратить серьёзные травмы и даже спасти жизнь, не говоря уже о защите дорогостоящих устройств.
Краткое содержание статьи
Классификация систем заземления
В старой версии (шестой) Правил устройства электроустановок (ПУЭ) существовало два способа заземления для электротрансформаторов и потребителей. Классификация схем заземления была достаточно простой:
- Глухая нейтраль (глухозаземленная шина). Она подключалась прямо к заземляющему контуру на распределительном трансформаторе, а к потребителям шло два провода с собственным заземлением.
- Изолированная нейтраль. В этом случае шина заземления не соединялась с контуром, находящимся в земле, а подключалась отдельно через дополнительный провод к уже имеющимся двум питающим проводам.
Согласно теоретическим обоснованиям, система заземления должна была функционировать безупречно: она была простой и понятной для любого электрика, который подключал электроустановку к сети. В большинстве случаев заземление работало исправно, если балансировка напряжения и заземляющий провод были выполнены корректно.
Проблемы могли возникать при неравномерной нагрузке (чаще всего в сельской местности) или обрыве нейтрали. На изолированной нейтрали обязательно возникал избыточный потенциал относительно «нуля земли», что создавало опасность.
Даже на обычных осветительных приборах, холодильниках, не говоря уже о более мощных установках, возникал потенциал, способный причинить вред здоровью и жизни людей.
Начиная с 2009 года, седьмая редакция ПУЭ (глава 1.7) ввела новые схемы заземления для электроустановок, а также их классификацию и обозначения буквами.
В текущей классификации представлено пять типов заземления электроустановок:
- TN-C – старая схема с глухозаземленной нейтралью.
- TN-S – разделённые нулевой и защитный проводники.
- TN-C-S – нейтраль (N) объединяется с защитным проводом PE.
- ТТ – защитный провод соединён с индивидуальным заземлением электроустановки.
- TI – изолированная нейтраль с собственным заземлением установки.
Первая и последняя схемы представляют собой устаревшие системы заземления, применявшиеся в предыдущих версиях ПУЭ. Их включили в классификацию, так как все электроустановки, трансформаторы и проводка, как в промышленных, так и в жилых помещениях, выполнялись именно по этим схемам. Изменений не было ни в цветах проводов, ни в способах подключения. Поэтому в седьмой редакции ПУЭ были добавлены три системы, используемые в импортном оборудовании.
Теперь заземленная линия обозначается буквой «Т», изолированная – буквой «I», а нулевой рабочий провод помечается «N». В кабелях этот провод всегда голубого цвета и используется для передачи электроэнергии, подключается на изолированных клеммах. Относительно «заземления» на земле на нём будет присутствовать избыточный потенциал.
Для подключения корпуса электроустановок к заземляющему контуру (в земле) используется провод с маркировкой РЕ (желто-зеленый, полосатый). Это и есть настоящий ноль в проводке.
До 2009 года нуль (заземление) в электроустановках обозначался черным проводом. Поэтому при проверке или ревизии распределительного щита стоит в первую очередь обратить внимание на нулевые провода – желто-зеленый и черный. Перед началом работы необходимо проверить индикатором, какой из проводов служит для заземления установки.
Система заземления TN-C
Система TN-C представляет собой старую схему с глухозаземленной нейтралью, используемую в сетях с напряжением до 1000 В, а в некоторых случаях и до 6000 В. В данной системе рабочий ноль и заземление объединены в одной шине. Хотя это решение считается устаревшим, оно всё ещё используется в бытовых устройствах и на старых линиях электросетей.
Система TN-C является одним из относительно эффективных способов защиты людей от электротравм, но только при условии грамотного устройства заземляющего элемента в земле. Чтобы заземляющий контур работал должным образом, он нуждается в регулярном обновлении и восстановлении. Это и есть самое слабое звено всей схемы TN-C.
Система заземления TN-S
Эта схема была разработана в Европе примерно 60-70 лет назад и оказалась намного более надёжной, безопасной, но и более затратной в обслуживании. В СССР она не стала популярной.
Схема с изолированной нейтралью используется только в установках с напряжением до 1000 В. TN-S применяется в ситуациях, когда нецелесообразно организовывать эффективное заземление с помощью металлического контура в земле. Иногда её применяют на мобильных генераторах.
Импортная бытовая техника, привезенная из стран Восточной Европы, была примечательна наличием дополнительной заземляющей клеммы на вилке. TN-S иногда называют еврозаземлением, однако это не совсем корректно. В однофазной системе с рабочим напряжением 220 В в квартиру подаются 3 провода (фаза, нейтраль и земля). Для трёхфазного питания требуются уже 5 проводников.
Система TN-S подразумевает, что нулевой защитный и нейтральный провода разделены на всей линии.
В данном случае PN – это нейтраль (провод голубого цвета), а РЕ – это чистый ноль для «земли» (желто-зеленый полосатый провод).
Среди преимуществ системы TN-S можно выделить:
- нет необходимости углублять металлический контур в землю;
- отсутствие наводок от высокочастотных излучений;
- возможность установки устройств защитного отключения (УЗО).
Устройства защиты функционируют на основе измерения тока утечки во влажной среде. Как только ток утечки с фазы на землю (влажные полы, стены или любую другую поверхность) или на нейтраль превысит безопасный уровень в 30 мА, автоматическое устройство отключит электроснабжение.
Система заземления TN-C-S
Эта схема может рассматриваться как компромиссное решение или способ устранения проблемы наличия в жилом фонде старых систем TN-C и более современных TN-S. Данная проблема весьма актуальна в свете массового строительства новых жилых зданий и капитального ремонта старых квартир.
Система TN-C-S сочетает элементы предыдущих схем заземления. У самой современной системы заземления TN-S в распределительный щиток в квартиру приходил кабель с разделённой нейтралью и защитной линией, и всё это тянулось от трансформаторной подстанции. Теперь в частный дом (или подъезд многоэтажного здания) подводится кабель, в котором используется один общий провод для защиты и заземления (а также нейтрали) – PE-N или PEN.
На вводном щите PEN перекоммутируются три провода:
- нейтраль, провод голубого цвета (N);
- защитный, желто-зеленый провод РЕ;
- отвод на заземляющую шину местного контура заземления.
В результате получается возможность подключения импортных электроустановок, так как доступны защитная линия и нейтраль, в то время как проводка в доме или квартире снабжена местным заземлением, что повышает безопасность.
Эта система сочетает в себе преимущества TNC и TN-S, но в то же время унаследовала и их недостатки. Например, в случае обрыва линии PEN или если сгнил отвод на местный контур заземления, через нейтраль на корпус электроустановки может подойти избыточный потенциал, что уже опасно для жизни.
Система заземления ТТ
На первый взгляд эта схема может показаться необычной, но на самом деле система ТТ с двойным заземлением широко используется в пригородах, сельской местности, дачных участках и коттеджных посёлках.
Согласно седьмой редакции ПУЭ (п.1.7.3), схема ТТ — это система, в которой нейтраль на трансформаторной подстанции глухо заземляется, а также проводится заземление контуром для открытых частей электроустановки. Причём оба заземления являются электрически независимыми друг от друга.
Данная система проста и надежна, хотя до появления ПУЭ в редакции 2009 года она считалась рискованной и фактически находилась под запретом. В настоящее время использование системы заземления электроустановок в частных домах разрешается только при соблюдении следующих условий:
- Создание полноценного заземляющего контура в грунте.
- Установка системы выравнивания потенциала для всех металлических элементов в доме.
- Обязательно использование устройств защитного отключения (УЗО).
Пункт 1.7.59 ПУЭ определяет требования к подключению устройств УЗО.
Наиболее сложным является процесс создания заземляющего контура. Сложно не только выкопать траншею и сварить контур из металлического уголка, но и обеспечить достаточную площадь контакта металла с землей, чтобы сопротивление заземления, измеренное специальным прибором, не превышало допустимого значения в Омах. Оно (R) не должно превышать частного от деления 50 на максимальную величину тока активации УЗО. Выбирается тот прибор, который обеспечивает максимальный ток срабатывания.
Система выравнивания потенциала — это (медный) проводник, который соединяет с заземлением главные металлические элементы, на которых может возникнуть избыточный потенциал. Это могут быть:
- корпусы электроустановок;
- бытовые приборы;
- стальные каркасы;
- системы вентиляции;
- водопроводные и канализационные трубы.
Система заземления IT
Система IT является устаревшей и широко применялась на территории бывшего СССР во времена массового строительства «хрущевок». Это классическая схема с изолированной нейтралью.
Корпус электрического оборудования потребителя подключается к 3 кабелям при трехфазном токе и к 2 при однофазной системе. Нулевой провод на стороне потребителя обязательно заземляется согласно действующим нормам.
- Если случайно прикоснуться к контактам или к одному проводу под напряжением, но без изоляции, то ощущение будет лишь легким покалыванием, а не сильным ударом током.
- При замыкании нуля в проводке на заземленный корпус происходит малое значение утечки тока.
- Если провод упадет на землю (например, обрыв на столбе), это не вызовет шагового напряжения.
Среди недостатков следует заметить, что использование устройств защитного отключения (УЗО) невозможно. Кроме того, при подключении мощной нагрузки с низким сопротивлением между нулем и одной из фаз на третьем проводе может возникнуть высокий потенциальный уровень.
Требования к заземлению электроустановок до 1000 Вольт
Потребителям в основном не интересуют аспекты заземления и защиты со стороны трансформатора или генератора. Для тех, кто использует электрические установки и бытовое оборудование, важнее корректное выполнение заземления.
Требования к заземлению для электрических установок до 1000 В:
- Обеспечить надежное соединение с минимальным сопротивлением между корпусом электрооборудования и землей.
- Обеспечить правильное рассеивание избыточного потенциала, который может попасть на корпус в случае аварии.
- Не допустить возникновения шагового напряжения.
В случае корректного заземления, если произойдет пробой изоляции, ток будет следовать по пути наименьшего сопротивления через металлические части корпуса к заземляющей шине в землю. Поскольку на подстанции или в промежуточной точке ноль также заземлен, ток уйдет в ground. Из-за сопротивления земли электричество рассеивается, теряя свой потенциал.
Таким образом, прикосновение к заземленному корпусу электрооборудования сухой рукой будет абсолютно безопасным, даже если на него попадет повышенное напряжение. Обычно сопротивление нормального заземления не превышает нескольких Ом, тогда как для сухой кожи человека этот показатель составляет несколько тысяч Ом, а для влажной – от 500 до 1000 Ом.
Основные требования к организации защитного заземления для напряжений 42-380 В переменного тока и 110-440 В постоянного в специфических условиях (при наличии сред с высокой проводимостью) указаны в ГОСТ 12.1.013-78. В остальных случаях заземление электроустановок свыше 380 В для переменного тока и 440 В для постоянного выполняется на основании ГОСТ 12.1.030-81.
Естественные заземлители
К естественным заземлителям относятся объекты и среды, которые способствуют отводу электрического потенциала в земную массу. Заземлители могут быть как искусственными, так и естественными. Искусственные – это специально созданные конструкции для рассеивания тока, а естественные – любые металлические элементы, находящиеся на поверхности земли или в верхнем слое почвы. К ним относятся:
- стальные трубы водопровода;
- мощные кабели с защитной оболочкой из металла (например, свинца);
- арматура фундамента и стен;
- чугунные трубопроводы;
- опоры;
- элементы вертикальных конструкций.
Все эти предметы контактируют с землей и, будучи в проводящей среде (например, во влажной), могут выполнять функции естественного заземления. Помимо способности передавать потенциал в землю, естественные заземлители также способны рассеиваt ток, частично погасить и преобразовать его энергией в тепло.
Естественные заземлители могут эффективно рассеивать избыточный потенциал, но при неисправном заземлении могут представлять опасность поражения током. Например, если в ванной комнате розетка или корпус прибора не заземлены, что может привести к травмам при прикосновении к смесителю. Кроме того, пол, изготовленный из железобетона, может стать причиной поражения током.
Бетон легко поглощает влагу, и влага может достичь металлических элементов (например, арматуры), которые функционируют как естественные заземлители. Если возникает избыточный потенциал на поверхности, он может растекаться по влажному полу к смесителю. При прикосновении к смесителю босыми ногами на таком полу возможен сильный удар током. Поэтому полы в ванных комнатах и на кухнях следует покрывать гидроизоляционными материалами.
Значение сопротивления току
Ключевой характеристикой заземления считается величина сопротивления для рассеивания избыточного потенциала. Работу заземляющего контура можно представить как замкнутую электрическую цепь, где ток с фазового провода проникает в корпус установки и далее с минимальными потерями направляется в землю.
Электрический ток, входящий в заземляющий контур, необходимо эффективно гасить. Поэтому заземляющий контур выполняется не из простых массивных стальных стержней или труб с высоким аэродинамическим сопротивлением. Каждая часть периметра должна занимать достаточно большое пространство для лучшего распределения тока в проводящей массе.
Таким образом, заземление мощных установок с напряжением 380–660 В выполняется в форме прямоугольного контура со значительной длиной. Чем больше габариты прямоугольника, тем лучше ток рассеется и меньше его сопротивление.
Несмотря на это, также не стоит чрезмерно снижать сопротивление заземляющего устройства. Величина рассеивания должна соответствовать рекомендациям ПУЭ и ГОСТ и оставаться относительно постоянной в любое время года.
Это особенно важно, если подстанция или трансформатор с заземленной защитой расположены близко к дому. Например, в частном доме, находящемся в городской застройке рядом с множеством подземных коммуникаций, стальные водопроводные трубы могут резко снизить сопротивление «земли» и повлечь за собой аварийные ситуации с электрическими установками.
Некоторые владельцы ограничиваются простым штыревым заземлением. Это дешевле и проще, чем контур, и для небольших электрических установок может быть достаточно. Но здесь возникает другая проблема: электрический ток, выходящий из корпуса электроустановки через заземляющую шину, создает дополнительный потенциал на поверхности почвы. Чем выше напряжение, тем выше потенциал на выходе. Особенно, если элементы заземляющего устройства закопаны неглубоко.
Поскольку площадь контакта металлического стержня с землёй невелика, то сопротивление такого заземляющего контура будет довольно высоким. Избыточный потенциал будет расходиться радиально от стержня, уменьшаясь по мере удаления от точки установки. Это приводит к возникновению шагового напряжения.
Следовательно, в дождь или во влажную погоду любой, кто пройдет в мокрой обуви рядом с заземляющим штырем, может почувствовать болезненный удар током.
При попадании в такую зону следует выходить из нее, прыгая, держась плотно вместе ногами.
Обычно подобные зоны возникают около высоковольтных установок.
Работа заземления при нарушении защитной изоляции токоведущих частей
Ситуация, при которой нарушена изолирующая оболочка кабеля, не изучается. В сетях имеется свое заземление, и если произойдет пробой изоляции, автоматический выключатель отключит линию.
В домашних условиях или на рабочем месте может произойти повреждение изоляции фазы:
- В системе TN-S (которую сейчас широко используют в современных жилых помещениях) избыточный потенциал попадает на корпус, соответственно ток уходит через защитный проводник PE в заземляющий контур, подключенный к распределительному щиту.
- Если изоляция не нарушена, но проводка начинает потеть, подгорая маленькими импульсами. В мокрых помещениях при прикосновении к металлическим элементам можно ощущать слабые покалывания (токовые удары). Если на линии с поврежденной проводкой установлено УЗО – оно просто отключит систему на щите.
Ситуация аналогична для заземления домашних электроустановок по схеме TN-C-S. Однако в этом случае избыточный потенциал уйдет в заземляющий контур самого здания. Единственный недостаток заключается в том, что общее заземляющее устройство, подключенное к щиту многоквартирного дома, может быть повреждено или разорвано. В этом случае существует риск получения удара током, так как защитный проводник РЕ соединяется с нейтралью, идущей к подстанции.
Системы TT и IT обычно не применяются в домашних условиях.
В схеме Т-С, при нарушении изоляции, ток частично отправится по нулевой проводке и частично в заземляющий контур, закопанный во дворе. Если он нормально работает, то ничего страшного не произойдет. Просто при замыкании автоматический пакетник отключит линию. В этом случае можно безопасно прикоснуться к корпусу, если не касаться других металлических предметов.
Иногда возможно, что происходит незначительный, почти незаметный удар. Это можно объяснить емкостью человеческого тела.
Защита электрооборудования в цехах
В производственных помещениях часто присутствует много основного и вспомогательного оборудования. Кроме того, в цехах обязательно имеются системы вентиляции и освещения, которые подключаются к отдельным линиям.
Системы освещения должны быть независимыми в соответствии с противопожарной безопасностью, а вентиляция дополнительно оборудуется изолированными проводниками и разрядниками, которые помогают убирать высокое напряжение статического электричества, накапливающегося на вентиляционных каналах при движении воздуха.
Обе системы заземления должны быть гальванически независимыми от системы защиты электрооборудования. Системы TN-C и TN-S могут использоваться в небольших изолированных помещениях с максимальным напряжением электроустановок до 380 В.
Для обеспечения безопасности электроустановок в производственных помещениях применяются две схемы заземления – TT и TI. Также необходимо занулять все металлические конструкции и коммуникации, которые могут находиться в контакте с работниками. Система вторичного зануления включает подключение заземления к арматуре железобетонных плит, стен и лестничных маршей с перилами.
Заземление сварочных аппаратов
Этот тип устройства отличается от других электроустановок по ряду факторов. В первую очередь это связано с высокими токами, которые способствуют образованию вторичных наводок на кабелях сварочного аппарата. Если в обычных электроприборах на корпусе возникает разность потенциалов порядка нескольких вольт, то у сварочного оборудования это значение может достигать десятков вольт.
Еще одной важной особенностью является индуктивная и периодическая природа нагрузки. Кроме этого, на ноль сварочного апарата приходят значительные токи, а выброс потенциала во время включения может временно превышать сто вольт.
Специфика заземления сварочных аппаратов:
- Каждой электрической установке должен соответствовать собственный заземляющий контур.
- Запрещено подключать несколько аппаратов к одному заземлению.
- К корпусу сварочного устройства необходимо прикрепить клемму для надежного соединения с заземлением, механическим способом.
Согласно ПУЭ-7 (пп.1.7.112-1.7.226), провод заземления для стационарной электроустановки должен иметь сечение не менее 10 мм² для медных проводов, 16 мм² для алюминиевых и 75 мм² для стальных.
Сварочные инверторы и аналогичные установки могут быть заземлены по схеме с изолированной нейтралью при условии установки автоматического устройства УЗО на выделенной линии.
Защита передвижных установок
В основном рассматриваются электроустановки, установленные на транспортных средствах. Для передвижных сварочных аппаратов, устанавливаемых на неподготовленных площадках на сравнительно длительный срок (до двух недель), может использоваться схема заземления TT.
Для мобильных измерительных лабораторий, радиостанций и оборудования с низкими токовыми нагрузками применяется схема TN-S. В обоих случаях заземление выполняется с использованием стандартного заземляющего алюминиевого кола с шнековой насадкой, который необходимо углубить в землю как минимум на 80 см в условиях наличия травяного покрова, что свидетельствует о влажности почвы. Для сухих участков требуется закладка заземляющего контура из трех стальных штырей на глубину до 100-120 см.
Также могут быть использованы переносные заземлители, которые электрики задействуют при ремонте и обслуживании наружных электроустановок всех типов. Каждая электростанция, генератор или трансформатор обладают собственной емкостью, а наличие воздушных проводов, натянутых на опорах, только усиливает это. Поэтому после обесточивания необходимо установить «землю» (переносные заземления) на все линии. Их также можно применять для временного заземления передвижных электроустановок.
Защита электроприборов
Схемы защитного заземления для промышленных электроустановок и устройств тщательно изложены в технической документации. В то время как бытовые электроприборы, даже сложные, такие как котлы или стиральные машины, не комплектуются схемой заземления. Считается, что установку электрооборудования выполнят представители фирмы, которые также осуществят заземление.
Необходимо заземлять любые бытовые электроустановки, работающие при переменном напряжении 42 В и выше для постоянного – 110 В. Это требование указано в пункте 1.7.33 ПУЭ. Исключение делается для систем освещения, с которыми нет постоянного контакта. Все остальные устройства, с которыми осуществляется контакт рук и которые подключаются к сети 220 В – обязательно подлежат заземлению.
Для бытовых электроустановок чаще всего используется схема TN-C-S или TN-C, где предусмотрен защитный провод PE в розетке, который подключается к распределительному щиту и общему заземлению.
Если в вашем доме установлены мощные электроприборы, такие как бойлер или стиральная машина, рекомендуется сделать индивидуальное заземление с контуром в земле. Важно понимать, что общая «земля» на вводном щите многоэтажного здания, где находятся 20-25 квартир, может не сработать должным образом в критической ситуации.
Заземлению также подлежат установки с импульсными блоками питания, что позволяет снизить высокочастотные наводки и устранить риск появления фазы на корпусе вследствие утечки тока через сетевой фильтр.
Особое внимание следует уделить заземлению холодильников, так как они занимают второе место после электрических бойлеров в списке причин получения электрических ударов.
Основы заземления электродвигателя
Около половины всех электроустановок имеют электродвигатели, преимущественно это моторы переменного тока. Одной из характерных черт компрессорного мотора является множество проводов, размещенных в обмотке статора или ротора. Эти провода также обертываются довольно тонкой и уязвимой лаковой или эмалевой изоляцией.
Поэтому неисправности в работе электродвигателя часто приводят к поражению электрическим током:
- Минимальная изоляция и высокий нагрев обмоток.
- Провода могут контактировать с металлическими частями корпуса.
- Ротор может продолжать вращаться даже после отключения электроустановки и высвободить накопленную энергию как в линию, так и на корпус.
Для заземления электродвигателей применяется рассекающий контур, который подключается через провод или шину к клемме на корпусе. Провод, подающий питание, соединяется с двигателем согласно схеме ТТ. Если в помещении функционирует несколько электродвигателей, они должны быть подключены к токоведущей шине отдельными проводами, исключая последовательные соединения.
В некоторых случаях для небольших электродвигателей на 220 В допускается исключение с защитным проводом, но только если мотор установлен на металлической основе и надежно закреплен с помощью шпилек, вбитых в землю на глубину не менее 60 см.
Тем не менее даже в этом случае обслуживание электродвигателя начинается с полного обесточивания и монтажа дополнительного внешнего заземления к корпусу. Сначала устанавливается заземляющий контур, а затем к корпусу мотора осуществляется подсоединение. Это универсальное правило для всех типов заземлений.
Итоги
Эффективное заземление электроустановок является единственным способом защитить себя от электротравм, как от питания трансформатора, так и от остатков потенциала на линии. Несмотря на то, что некоторые аспекты в ПУЭ недостаточно детализированы, при работе с электроприборами следует руководствоваться правилами, а не только инструкциями производителей.
Поделитесь своим опытом по заземлению установок – с какими трудностями вы сталкивались и каким образом их решали. Сохраните эту статью в закладках, чтобы важная информация не затерялась.
