Защитное зануление, назначение и принцип
При проектировании, монтаже и эксплуатации электроустановок, промышленного и бытового электрооборудования, а также электрических сетей освещения одним из основополагающих факторов обеспечения их функциональности и электробезопасности является правильно выполненное заземление.
Заземлением называется соединение металлических нетоковедущих частей электроустановки с землей (контуром заземления), которые в нормальном состоянии не находятся под напряжением, но могут оказаться из-за повреждения изоляции. Основное назначение заземления заключается в том, чтобы снизить напряжение прикосновения до безопасной величины за счет стекания тока на землю.
Исходя из вышеизложенного ясно, что основным нормируемым показателем, характеризующим, насколько качественно выполнено заземление, является его сопротивление (чем выше сопротивление, тем ниже ток стекания). Здесь контролируется противодействие растеканию тока, поступающего в землю через заземлитель. Величина сопротивления заземления зависит от типа и состояния грунта, а также особенностей конструкции и материалов, из которых изготовлено заземляющее устройство. Определяющим фактором, влияющим на величину сопротивления заземлителя, является площадь непосредственного контакта с землей составляющих его пластин, штырей, труб и других электродов.
В зависимости от того, каким образом и с каким заземляющими конструкциями, устройствами или предметами соединены соответствующие провода, приборы, корпуса устройств, оборудование или определенные точки сети, различают естественное и искусственное заземление.
Естественными заземлителями являются любые металлические предметы, постоянно находящиеся в земле: сваи, трубы, арматура и другие токопроводящие изделия. Однако ввиду того что электрическое сопротивление растеканию в земле электротока от таких предметов плохо поддается контролю и прогнозированию, использовать естественное заземление при эксплуатации электрооборудования запрещается.
В настоящее время существует несколько различных систем электроснабжения потребителей напряжением до 1000 В, однако наиболее распространенной является система с глухозаземленным нейтральным (нулевым) проводом. Именно такая система используется в большинстве наших домов.
При кажущейся сложности все предельно просто. В такой системе нейтральная точка трансформатора на подстанции имеет непосредственное соединение с землей. Основной мерой защиты от случайного попадания под напряжение в данном случае служит защитное зануление, то есть специальное соединение любой металлической части бытового электроприбора с нейтралью трансформатора (нулевым проводником сети). И при пробое фазы на соединенный с нулем корпус электроприбора возникает замкнутый контур между фазой и нулем, то есть однофазное короткое замыкание, и происходит отключение от сети электрооборудования, корпус которого из-за пробоя изоляции оказался под напряжением. Таким образом назначение зануления заключается в том, чтобы осуществлять защиту посредством отключения электроустановки от сети.
В каждой розетке и вилке при правильно выполненной в доме электропроводке имеется (предусмотрен) заземляющий контакт (рис. 65). Именно через него при включении корпус электроприбора соединяется с нейтральной точкой трансформатора.
Рис. 65. Внутреннее устройство розетки. Провод защитного заземления центральный
Суть работы защитного заземления заключается в следующем. Нормативные документы регламентируют допустимое время отключение поврежденной линии при коротком замыкании не более 0,4 с. Именно за это время, как считается, человек имеет все шансы остаться в живых при попадании под напряжение. При выполнении защитного зануления значительно снижается сопротивление петли «фаза — нуль» и обеспечивается достаточное значение тока короткого замыкания для срабатывания аппарата защиты (предохранитель или автоматический выключатель) за время не более 0,4 с.
При отсутствии защитного зануления, или, как его еще в быту называют, «заземления», ток короткого замыкания за счет высокого сопротивления может оказаться недостаточным для срабатывания защиты, и поврежденный бытовой прибор может надолго оказаться под опасным для человека напряжением.
Выполняется защитное зануление в соответствии с требованиями действующих Правил устройства электроустановок (ПУЭ). Для этого используется третья жила кабеля или отдельно проложенный проводник. В сетях с глухозаземленной нейтралью категорически запрещается выполнять заземление бытовых приборов на отдельный контур заземления, не связанный с нейтральной точкой трансформатора. Например, просто соединив заземляющий контакт розетки с самостоятельно вбитым под окном металлическим стержнем. То же самое касается и попыток «заземления» на систему отопления или водоснабжения квартиры. В этом случае ток короткого замыкания может оказаться достаточно низким за счет того, что земля и дополнительный контур заземления (как правило, самодельного производства) имеют значительно большее сопротивление, нежели специальный нулевой защитный проводник.
В целом можно сказать, что защитное зануление играет огромную роль в обеспечении электробезопасности вашего дома, а качеству и правильности его выполнения следует уделять максимум внимания.
Различают зануление систем TN-C, TN-C-S и TN-S.
Сокращенные названия систем заземления принято обозначать сочетанием первых букв французских слов: Terre — земля, Neuter — нейтраль, Isole — изолировать, а также английских: combined и separated — комбинированный и раздельный.
• T — заземление;
• N — подключение к нейтрали;
• C — объединение функций, соединение функционального и защитного нулевых проводов;
• I — изолирование;
• S — раздельное использование во всей сети функционального и защитного нулевых проводов.
Виды систем искусственного заземления
В приведенных ниже названиях систем искусственного заземления по первой букве можно судить о способе заземления источника электрической энергии (генератора или трансформатора), по второй — потребителя. Принято различать TN, TT и IT системы заземления. Первая из которых, в свою очередь, используется в трех различных вариантах: TN-C, TN-S, TN-C-S. Для понимания различий и способов устройства перечисленных систем заземления следует рассмотреть каждую из них более детально.
1. Системы с глухозаземленной нейтралью (системы заземления TN). Это обозначение систем, в которых для подключения нулевых функциональных и защитных проводников используется общая глухозаземленная нейтраль источника питания (генератора или понижающего трансформатора). При этом все корпусные электропроводящие детали и экраны потребителей следует подключить к общему нулевому проводнику, соединенному с данной нейтралью. Нулевые проводники различного типа также обозначают латинскими буквами:
• N — функциональный нуль;
• PE — защитный нуль;
• PEN — совмещение функционального и защитного нулевых проводников.
Построенная с использованием глухозаземленной нейтрали, система заземления TN характеризуется подключением функционального нуля — проводника N (нейтрали) к контуру заземления, оборудованному рядом с трансформаторной подстанцией. Применяются три подвида системы TN: TN-C, TN-S, TN-C-S, которые отличаются друг от друга различными способами подключения нулевых проводников N и PE.
Система заземления TN-C (рис. 66). Как следует из буквенного обозначения, для системы TN-C характерно объединение функционального и защитного нулевых проводников. Классической TN-C системой является традиционная четырехпроводная схема электроснабжения с тремя фазными и одним нулевым проводом. Основная шина заземления в данном случае — глухозаземленная нейтраль, с которой дополнительными нулевыми проводами необходимо соединить все открытые детали корпуса и металлические части приборов, способные проводить электрический ток.
Рис. 66. Схема заземления TN-C
Данная система имеет несколько существенных недостатков, главный из которых — утеря защитных функций в случае обрыва или отгорания нулевого провода. При этом на неизолированных поверхностях корпусов приборов и оборудования возникает опасное для жизни напряжение. Так как отдельный защитный заземляющий проводник PE в данной системе не используется, все подключенные розетки не имеют земли. Поэтому используемое электрооборудование приходится занулять — соединять корпусные детали с нулевым проводом. Если при таком подключении фазный провод коснется корпуса, из-за короткого замыкания сработает автоматический предохранитель, и опасность поражения электрическим током людей или возгорания искрящего оборудования будет устранена быстрым аварийным отключением. Важным ограничением при вынужденном занулении бытовых приборов, запитанных по системе TN-C, является запрет использования дополнительных контуров уравнивания потенциалов в ванных комнатах.
В настоящее время данная система заземления сохранилась в домах, относящихся к старому жилому фонду, а также применяется в сетях уличного освещения, где степень риска минимальна.
Система TN-S (рис. 67). Более прогрессивная и безопасная по сравнению с TN-C система с разделенными рабочим и защитным нолями. TN-S была разработана и внедрена в 30-е годы прошлого века. При высоком уровне электробезопасности людей и оборудования это решение имеет один, но достаточно существенный недостаток — высокую стоимость. Так как разделение рабочего (N) и защитного (PE) нуля реализовано сразу на подстанции, подача трехфазного напряжения производится по пяти проводам, однофазного — по трем. Для подключения обоих нулевых проводников на стороне источника используется глухозаземленная нейтраль источника питания.
Рис. 67. Схема заземления TN-S
Система TN-C-S (рис. 68). С целью удешевления оптимальной по безопасности системы TN-S с разделенными нулевыми проводниками N и PE разработана система TN-C-S. Суть данного способа подключения состоит в том, что подача электричества с подстанции осуществляется с использованием комбинированного нуля PEN, подключенного к глухозаземленной нейтрали, который при входе в здание разветвляется на PE — нуль защитный — и еще один проводник, исполняющий на стороне потребителя функцию рабочего нуля N.
Рис. 68. Схема заземления TN-C-S
Данная система имеет существенный недостаток — в случае повреждения или отгорания провода PEN на участке «подстанция — здание» на проводнике PE, а следовательно, и всех связанных с ним корпусных деталях электроприборов, появится опасное напряжение. Поэтому при использовании системы TN-C-S, которая достаточно распространена, необходимо применение специальных мер по защите проводника PEN от повреждения.
2. Система заземления TT (рис. 69). При подаче электроэнергии по традиционной для сельской и загородной местности воздушной линии, как правило, применяется система TN-C-S, и в данном случае практически невозможно обеспечить надлежащую защиту проводника комбинированной земли PEN. Поэтому все чаще используется система TT, которая предполагает «глухое» заземление нейтрали источника и передачу трехфазного напряжения по четырем проводам. Четвертый является функциональным нулем N. На стороне потребителя выполняется местный, как правило, модульно-штыревой заземлитель, к которому подключаются все проводники защитной земли PE, связанные с корпусными деталями.
Рис. 69. Схема заземления TT
Рис. 70. Схема заземления IT
В городе TT используется при электрификации точек временной торговли и оказания услуг. При таком способе устройства заземления обязательным условием является наличие приборов защитного отключения, а также осуществление технических мер грозозащиты.
3. Система с изолированной нейтралью IT (рис. 70). Во всех описанных выше системах нейтраль связана с землей, что делает системы достаточно надежными, но не лишенными ряда существенных недостатков. Намного более совершенными и безопасными являются системы, в которых используется либо абсолютно не связанная с землей изолированная нейтраль, либо заземленная при помощи специальных приборов и устройств с большим сопротивлением, как в системе IT. Такие способы подключения часто используют в медицинских учреждениях для электропитания оборудования жизнеобеспечения, на предприятиях нефтепереработки и энергетики, научных лабораториях с особо чувствительными приборами и других ответственных объектах.
Классическая система, основным признаком которой является изолированная нейтраль источника — I, а также наличие на стороне потребителя контура защитного заземления — Т. Напряжение от источника к потребителю передается по минимально возможному количеству проводов, а все токопроводящие детали корпусов оборудования потребителя должны быть надежно подключены к заземлителю. Нулевой функциональный проводник N на участке «источник — потребитель» в архитектуре системы IT отсутствует.
Заземляющее устройство. Заземлитель
В чем состоит разница между терминами «заземление», «заземляющее устройство» и «заземлитель»? Это три различных термина, которые не следует путать.
Под заземлением понимают соединение частей электроустановки с заземляющим устройством. Таким образом, в отличие от заземляющего устройства и заземлителя, заземление — это процесс, действие.
Заземляющее устройство представляет собой совокупность заземлителя и заземляющих проводников, а заземлитель — проводник или группа проводников, находящихся в непосредственном контакте с землей и соединяющих с ней определенные части электроустановок.
Заземляющие устройства в зависимости от назначения могут выполнять различные функции.
Эти устройства разделяют на защитные, рабочие и грозозащитные.
• Защитные заземляющие устройства предназначены для защиты людей и животных от поражения электрическим током при случайном замыкании фазного провода на нетоковедущие металлические части электроустановки.
• Рабочие заземляющие устройства необходимы для создания определенного режима работы электроустановки в нормальных и аварийных условиях.
• Грозозащитные заземляющие устройства используют для заземления стержневых и тросовых молниеотводов и разрядников и предназначены для отвода импульсного тока молнии в землю.
Во многих случаях одно и то же заземляющее устройство может совмещать несколько функций (например, быть защитным и рабочим). Как было сказано выше, все заземлители делятся на два основных типа — естественные и искусственные.
К естественным заземлителям относят проложенные в земле водопроводные и другие металлические трубопроводы (за исключением трубопроводов горючих или взрывчатых жидкостей и газов); обсадные трубы; металлические конструкции и арматуру железобетонных конструкций зданий и сооружений; свинцовые оболочки проложенных в земле кабелей при условии, что их проложено не менее двух и отсутствуют другие заземлители, и т. п.
Нельзя использовать в качестве заземлителей трубопроводы, покрытые изоляцией для защиты их от коррозии, трубопроводы для перекачки горючих жидкостей и газов, алюминиевые оболочки кабелей и голые алюминиевые проводники.
К искусственным заземлителям относят конструкции, изготовленные специально для заземления. Ими могут быть вертикально погруженные в землю стальные стержни и некондиционные трубы, уголковая сталь, горизонтально проложенные стальные полосы, круглые стальные стержни и т. д.
Заземляющий проводник предназначен для соединения заземляемых частей электроустановок с заземлителем. В качестве заземляющих проводников можно использовать металлоконструкции зданий и сооружений, а также металлические конструкции производственного назначения, например стальные трубы электропроводок, алюминиевые оболочки кабелей, металлические стационарные открыто проложенные трубопроводы любых назначений (кроме тех, которые предназначены для транспортирования горючих и взрывоопасных смесей), металлические фермы, подкрановые пути и т. д.
В жилых зданиях и сооружениях в качестве заземляющих проводников запрещено использовать водопроводные трубы, трубы отопления. Наименьшие допустимые размеры заземляющих проводников и элементов заземлителя приведены в таблице 5.
Главной электрической характеристикой заземляющего устройства является его сопротивление. Оно равно сумме сопротивлений заземлителя и заземляющих проводников. Сопротивление заземлителя называют сопротивлением растеканию электрического тока.
Электрический ток, стекая с заземлителя в землю, распределяется в объеме неравномерно, встречая на своем пути в земле определенное сопротивление. Поэтому и говорят о сопротивлении растеканию тока с заземлителя в землю. Для краткости его называют просто сопротивлением растеканию.
Таблица 5
Минимальные допустимые размеры заземляющих проводников и заземлителей
Сопротивление растеканию заземлителя (R) равно отношению его потенциала (напряжения, U) в месте ввода к силе тока (I), идущего с заземлителя в землю:
R=U/I
Свойства грунта определяются его сопротивлением растеканию тока. И чем это сопротивление меньше, тем лучше для монтажа контура заземления.
Сопротивление заземлительного устройства зависит:
• от типа грунта;
• структуры грунта;
• состояния грунта;
• глубины залегания электродов;
• количества электродов;
• свойств электродов.
Контур заземления — соединенные между собой горизонтальные и вертикальные электроды, которые заложены на определенной глубине в грунте. Торф, суглинок, влажная, а лучше мокрая глина отлично подходят для монтажа контура заземления, а вот каменистая почва не годится. В зависимости от условий окружающей среды, даже один и тот же тип грунта может иметь разные свойства. Поэтому производить монтаж контура заземления необходимо осознанно, а выбор количества и длины заземляющих электродов рассматривать по конкретному случаю. Самый распространенный и простой способ монтажа контура заземления показан на рис. 71.
Рис. 71. Схема монтажа контура заземления
Существуют и более современные способы, например модульно-штыревая система заземления.
Место для установки и монтажа заземляющего устройства желательно выбирать вблизи вводного распределительного устройства. Материал для вертикальных и горизонтальных заземлителей (электродов) подбирается по приведенной выше таблице.
Согласно схеме, приведенной на рисунке, можно заглубить три вертикальных заземлителя по углам равностороннего треугольника и затем соединить их, либо по прямой линии через 1 м забить (заглубить) 4–5 вертикальных электродов и соединить их между собой. Длина вертикальных электродов 2,5–3 м. Чтобы легче было забивать вертикальные электроды в землю, их концы заостряют. Горизонтальные соединения лучше реализовать с помощью электросварки. Места сварки нужно обработать антикоррозийным составом, например битумом, а электроды присыпать однородным грунтом.
В электроустановках напряжением до 1 кВ с глухозаземленной нейтралью сопротивление заземляющего устройства, к которому присоединены нейтрали генераторов, трансформаторов или выводы источника однофазного тока, не должно превышать в любое время года 2, 4 и 8 Ом при линейных напряжениях соответственно 660, 380 и 220 В источника трехфазного или 380, 220 и 127 В однофазного тока.
Это сопротивление должно быть обеспечено с учетом использования естественных заземлителей, а также заземлителей повторных заземлений нулевого провода воздушной линии (ВЛ) до 1 кВ при числе отходящих линий не менее двух. Но даже если это требование выполнено, то генераторы или трансформаторы все равно должны иметь свои искусственные заземлители, сопротивления которых должны быть не более 15, 30 и 60 Ом при линейных напряжениях соответственно 660, 380 и 220 В источника трехфазного или 380, 220 и 127 В однофазного тока.
При удельном электрическом сопротивлении ρ земли более 100 Ом × м допускается увеличить указанные значения в ρ/100, но не более чем в 10 раз. На концах ВЛ (или ответвлений) длиной более 200 м, а также на вводах в здания, электроустановки которых подлежат занулению, выполняют повторные заземления, используя при этом в первую очередь естественные, а также молниезащитные заземлители.
Общее сопротивление всех этих заземлителей, искусственных и естественных, для каждой ВЛ не должно превышать в любое время года 5, 10 и 20 Ом при линейных напряжениях соответственно 660, 380 и 220 В источника трехфазного или 380, 220 и 127 В однофазного тока. При этом сопротивление заземляющего устройства каждого из повторных заземлений должно быть не более 15, 30 и 60 Ом соответственно при тех же напряжениях. Как и для заземляющих устройств генераторов и трансформаторов, значения указанных сопротивлений разрешается увеличить в ρ/100 раз, но не более чем в 10 раз.
Сопротивление заземляющего устройства, используемого для заземления электрооборудования электроустановки напряжением до 1 кВ с изолированной нейтралью, должно быть не более 4 Ом. Это сопротивление может быть увеличено до 10 Ом при мощности генераторов и трансформаторов 100 кВ × А и менее, для параллельно работающих генераторов и трансформаторов сопротивление 10 Ом допускается при их суммарной мощности не более 100 кВА.