Заземление электрических установок и их типы

Создание заземления для электрических систем является ключевым требованием для обеспечения безопасного использования различного электрооборудования. Корректно выполненное заземление способно предотвратить серьезные травмы и уберечь здоровье или жизнь, а также предотвратить повреждения дорогих устройств.

Типы систем заземления

В старой версии ПУЭ (шестая редакция) рассматривались два основных способа заземления для трансформаторов и потребителей энергии. Классификация тогда выглядела следующим образом:

1. Глухая (глухозаземленная) нейтральная шина. Подключалась непосредственно к системе заземления на распределительном трансформаторе, откуда к потребителям подводились два провода с их собственными системами заземления.
2. Изолированная или вынесенная нейтраль. Заземляющая шина соединялась не с подземной системой, а подключалась отдельно к двум исходным проводам.

В теории, такая система заземления должна была функционировать безупречно — она была простой и понятной для любого специалиста, подключающего электроустановку к электрической сети. В большинстве случаев заземление работало, если корректно была выполнена балансировка по напряжению и соблюдены требования к заземляющему проводнику.

Трудности возникали, как правило, при неравномерной нагрузке (часто наблюдаемой в сельской местности) либо в случае обрыва нейтрали. В условиях изолированной нейтрали всегда был риск наличия избыточного потенциала по отношению к «земле», что создавало небезопасные условия.

Даже на простых приборах освещения и холодильниках, не говоря уже о мощных электрических установках, мог возникать небезопасный потенциал.

С 2009 года, в соответствии с седьмой редакцией ПУЭ (глава 1.7), были разработаны новые схемы заземления электроустановок с введением их классификации и буквенного обозначения.

В сегодняшней классификации можно выделить 5 видов заземления электроустановок:

1. TN-C — старая система с выделенной «глухой» нейтралью.
2. TN-S — система с разделением нулевого и защитного проводников.
3. TN-C-S — схему, где нейтраль (N) объединена с защитным проводом PE.
4. Система ТТ — заземляющий провод присоединяется к индивидуальному заземлению установки.
5. TI — вариант с изолированной нейтралью и собственным заземлением установки.

Первая и последняя схемы являются устаревшими вариантами организации заземления электродов, которые были предусмотрены в шестой и предыдущих редакциях ПУЭ. Они остались в классификации, так как именно по этим схемам производилась установка электроустановок, трансформаторов и проводки в зданиях. Изменений не было — ни в цветах проводников, ни в вариантах подключения. Поэтому в седьмой редакции ПУЭ была добавлена три дополнительных системы, применяющиеся в зарубежном оборудовании.

Теперь заземленная линия обозначается буквой «Т», а изолированная — «I». Нулевой рабочий провод обозначается «N», он всегда голубого цвета и используется для передачи электроэнергии, а на изолированных клеммах он может иметь избыточный потенциал относительно заземления.

Для подключения заземления корпуса электроустановок к контурной системе (в земле) служит провод PE (желто-зеленый, полосатый). Он представляет собой истинный ноль в проводке.

До 2009 года нуль в системе заземления часто выполнялся черным проводом. Поэтому при необходимости провести обследование или ревизию распределительного щита стоит уделить особое внимание черному и желто-зеленому проводам. Перед началом работ всегда важно проверить, какой из них является заземляющим с помощью индикатора.

Система заземления TN-C

Эта старая схема с глухозаземленной нейтралью предназначена для сетей с рабочим напряжением до 1000 В и, в некоторых случаях, до 6000 В. В этой модели рабочий ноль и заземление реализованы в одной шине. Несмотря на то, что это считается устаревшим решением, такой подход все еще используется в быту и в старых линиях электропроводки.

Система TN-C является одним из наиболее эффективных способов защиты человека от электрических ударов, однако это возможно при условии надлежащего обустройства заземления в земле. Для эффективной работы заземляющих проводов необходимо регулярно проверять и обновлять контур, так как это наиболее уязвимое место данной схемы TN-C.

Система заземления TN-S

Эта схема была представлена в Европе около 60-70 лет назад и оказалась надежной и безопасной, хотя и более дорогой в обслуживании. Она не завоевала популярности в Советском Союзе.

Система с изолированной нейтралью используется только для электросетей с напряжением до 1000 В. TN-S применяется в ситуациях, когда невозможно создать эффективное заземление с помощью металлического рассеивающего контура в земле. Иногда ее применяют на мобильных генераторах.

Импортная бытовая техника из Восточной Европы обычно имела вилки с дополнительным заземляющим контактом. TN-S часто называют еврозаземлением, хотя это не совсем корректно. В однополевой сети с напряжением 220 В для подключения в квартиры используются три провода (фаза, нейтраль и земля). Для трехфазного питания требуется 5 проводников.

В данной системе нулевой защитный и нейтральный провод разделены на всех участках линии.

Здесь PN обозначает нейтраль (голубой провод), а PE — «чистый» ноль или земля (желто-зеленый провод).

Система TN-S обладает рядом преимуществ:

• нет необходимости закапывать металлический контур в землю;
• отсутствуют наводки от высокочастотных излучений;
• возможность установки устройств защитного отключения.

Устройства защиты действуют на основе измерения тока утечки в сырых условиях. Как только ток утечки с фазы на землю (например, на влажный пол, стены или другую поверхность) или на нейтраль превышает безопасный уровень в 30 мА, автомат отключает линию от сети.

Система заземления TN-C-S

Этот вариант можно считать компромиссным решением или способом решения проблемы старых TN-C и современных TN-S в жилом фонде. Это вопрос крайне актуален в свете массового строительства новых жилых комплексов, а также капитального ремонта старых квартир.

TN-C-S объединяет элементы предыдущих схем заземления. У более современного основания TN-S кабель, который ввели в квартиру к распределительному щитку, представлял собой линию с разделенной нейтралью и защитным проводником. Этот провод тянулся от трансформаторной подстанции. В настоящее время в частные дома (или в подъезды многоквартирных зданий) подводится кабель, где для защиты и заземления (также и нейтрали) используется один общий провод PE-N или PEN.

На вводном щите провод PEN разъединяется на три провода:

• нейтраль, голубой провод (N);
• защитный, желто-зеленый провод PE;
• ответвление на заземляющую шину местного контура.

Таким образом, можно подключать импортные электроустановки, поскольку присутствует защитная и нейтральная линия. В то же время проводка в доме или квартире включает местное заземление, что существенно повышает уровень безопасности.

Эта система попыталась совместить преимущества TN-C и TN-S, но также унаследовала и их недостатки. Например, если произойдет обрыв линии PEN или если сгниёт отвод на дополнительный контур заземления (что часто происходит), то через нейтраль в корпус электрики может поступить повышенный потенциал, что чревато электрическим ударом.

Система заземления TT

На первый взгляд, система TT может показаться немного необычной, но на практике она оказалась весьма эффективной и используется в пригородах, сельской местности, дачных участках и коттеджах.

По информации из седьмой редакции ПУЭ (пункт 1.7.3), система TT подразумевает, что нейтраль на трансформаторной подстанции глухо заземляется, в то время как открытые части электроустановки обеспечиваются отдельным заземлением. Оба заземления работают независимо друг от друга.

Данная схема считается простой и надежной, хотя до введения ПУЭ в 2009 году её рассматривали как рискованную и даже запрещали. На сегодняшний день использование этой схемы в частных домах разрешено при соблюдении таких условий:

1. Создание полноценного заземляющего контура в земле.
2. Установка системы выравнивания потенциала для всех металлических элементов в здании.
3. Использование УЗО (устройств защитного отключения).

Пункт 1.7.59 ПУЭ описывает порядок подключения УЗО.

Наиболее сложной задачей является создание заземляющего контура. Необходимо не просто выкопать траншею и сварить периметр из старого металлического уголка. Поверхность контакта металла с грунтом должна быть достаточно большой, чтобы сопротивление заземления, измеренное специальным прибором, соответствовало расчетному значению в Омах. Оно (R) не должно превышать частное от деления 50 на максимальное значение тока срабатывания УЗО. Из множества приборов выбирается тот, который имеет максимальный ток.

Система выравнивания потенциала — это (медный) проводник, который соединяет основные металлические предметы, на которых может возникнуть избыточный потенциал, с системой заземления. Это может включать:

• корпус электроустановок;
• бытовую технику;
• металлические каркасы;
• вентиляционные системы;
• водопроводные и канализационные трубы.

Система заземления IT

Эта старая система, широко применяемая в бывшем Советском Союзе во времена массового строительства «хрущевок», представляет собой классическую схему с изолированной нейтралью.

Корпус электроприборов-потребителей получает три провода в случае трехфазного питания и два провода, если используется однофазная сеть. Нулевой провод в распределительной сети заземляется в землю в соответствии с действующими нормами заземления.

1. Случайное прикосновение руку к оголенным контактам или проводам под напряжением, но без изоляции, вызывает легкое пощипывание, а не настоящие электрические удары.
2. Низкий ток утечки при коротком замыкании нуля на заземленный корпус проводки.
3. Падение провода на землю (обрыв на опоре) не создает шагового напряжения.

Среди недостатков следует выделить невозможность применения устройства защитного отключения (УЗО). Также, при подключении мощной низкоомной нагрузки между нулевым и фазным проводом на третьем проводе может возникнуть избыточный потенциал значительного уровня.

Требования к заземлению электроустановок при напряжении до 1000 Вольт

Для потребителей малозначительны устройства заземления и защиты с стороны генератора или трансформатора. Для эксплуатирующих электроустановки и использующих бытовую технику важнее корректное выполнение заземления.

Требования к заземлению электроустановок до 1000 Вт включают:

1. Обеспечение надежного соединения с минимальным сопротивлением току между корпусом электроустановки и землей.
2. Нормальное рассеивание избыточного потенциала, поступающего на корпус электроустановки в результате аварийных ситуаций.
3. Избежание возникновения шагового напряжения.

При корректно организованном заземлении в случае пробоя изоляции ток будет двигаться по пути наименьшего сопротивления – от металлических частей корпуса к заземляющей шине, а затем в землю. Так как нулевой провод в трансформаторной подстанции также заземлен, ток будет уходить в грунт к трансформатору. Благодаря сопротивлению грунтовых масс электрический ток будет рассеиваться, теряя потенциал.

Следовательно, прикосновение сухой рукой к заземленному корпусу электроустановки будет абсолютно безопасным, даже при наличии повышенного нагруженного напряжения. Сопротивление нормального заземляющего устройства редко превышает несколько Ом. Для сухой человеческой кожи это значение достигает нескольких тысяч Ом, а для влажной (но не мокрой) – от 500 до 1000 Ом.

Основные требования к организации защитного заземления для напряжений 42-380 В для переменного тока и 110-440 В для постоянного в специфических условиях (присутствие сред с высокой проводимостью) изложены в ГОСТ 12.1.013-78. В остальных случаях заземление электроустановок, работающих при напряжении свыше 380 В переменного и 440 В постоянного, выполняется согласно ГОСТ 12.1.030-81.

Естественные заземлители

Естественными заземлителями являются предметы и среды, способствующие отведению напряжения в рассеиванные током массу земли. Заземлители могут быть как искусственными, так и естественными. К искусственным относятся специально разработанные конструкции для рассеивания тока с заданными характеристиками. К естественным же можно отнести любые металлические предметы, находящиеся на поверхности грунта или расположенные в верхних слоях почвы. Это могут быть:

• стальные трубы систем водоснабжения;
• мощные кабели с металлической (свинцовой) защитной оболочкой;
• арматура стен и фундаментов;
• чугунные канализационные трубы;
• опоры;
• металлические элементы вертикальных опор.

Все эти предметы контактируют с почвой и в условиях наличия проводящей среды (увлажненной почвы) могут выполнять функции естественного заземления. Кроме способности передавать потенциал в землю, естественные заземлители также рассеивают ток, частично гася его и преобразуя в тепловую энергию.

Естественные заземлители могут быть полезны для рассеивания избыточного потенциала, но также могут стать причиной поражения электрическим током при неисправном заземлении. Например, если в ванной комнате не заземлены розетка или корпус электрооборудования, либо если заземляющая шина не функционирует, то пол на железобетонной плите перекрытия становится небезопасным.

Бетон способен хорошо впитывать влагу, и эта влага может достигать стальной арматуры (которая является одним из видов естественного заземлителя). Потенциал от фазы в розетке может пройти по влажной поверхности до смесителя. При прикосновении к крану, стоя на одетых в мокрые ноги, можно получить электрический удар. Поэтому полы в ванной или на кухне следует защищать с помощью гидроизоляции.

Значение сопротивления для стекания электрического тока

Ключевым элементом заземления является величина сопротивления, позволяющая рассеивать избыток потенциального напряжения. Функционирование заземляющего контура можно представить в виде замкнутой цепи: электрический ток, попадая на корпус электроустановки, следует по пути наименьшего сопротивления в землю.

Электрический ток, уходящий в контур заземления, должен эффективно рассеиваться. Поэтому заземляющий контур не просто изготавливают из массивных стальных профилей или труб с большой площадью поверхности. Периметр должен быть значительным — это улучшает распределение тока в проводящих массах.

Поэтому заземление мощных электроустановок, работающих при напряжении 380–660 В, оформляется в виде прямоугольного контура с большой длиной периметра. Чем больше размеры прямоугольника, тем лучше рассяивается ток и меньше его сопротивление.

Сильно снижать сопротивление заземляющего устройства не стоит. Уровень рассеивания тока должен соответствовать советам ПУЭ и ГОСТа и оставаться стабильным в любое время года.

Это особенно актуально, когда подстанция или трансформатор с заземленной нейтралью находятся вблизи жилья. Например, в частном доме в городской застройке с множеством подземных коммуникаций наличие металлических труб может резко снизить резистентность «земли» и привести к неисправности в электроустановках.

Порой владельцы прибегают к простому штыревому заземлению. Это проще и дешевле, чем создание контура, и для небольших бытовых установок может быть вполне достаточным. Однако здесь возникает другая проблема: электрический ток, попадая на землю с корпуса электроустановки через заземляющий проводник, создает дополнительный потенциал на землю. Чем выше напряжение на линии, тем выше будет этот потенциал. Особенно это чувствуется, если элементы заземляющего контура закопаны на небольшой глубине.

Необходимо учесть, что площадь контакта металлического стержня с грунтом невелика, а значит, сопротивление заземляющего контура будет высоким. Избыточный потенциал будет распространяться радиально от стержня, уменьшаясь на поверхности по мере удаления от точки установки этого стержня. Таким образом, возникает шаговое напряжение.

При этом в условиях дождя, тумана или мокрого снега, любой человек, который решит пройти по влажной земле у заземляющего штыря, может получить болезненные электрические удары по ногам.

В такой ситуации можно безопасно покинуть зону только прыжками, плотно прижав ноги друг к другу.

Подобные зоны обычно возникают вблизи высоковольтных установок.

Работа системы заземления при нарушении защитной изоляции токоведущих частей

Ситуация, когда изоляция кабеля была нарушена, не рассматривается. В сети имеется собственное заземление, и при пробое изоляции автомат отключит линию.

В домашних условиях или на рабочем месте также возможно повреждение изоляции фазы:

1. В системе TN-S (широко используемой в современных жилых помещениях) избыточный потенциал поступает на корпус, при этом ток уходит через защитный проводник PE в контур заземления, который подключен к распределительному щиту.
2. Если изоляция фазы не пробита, а проводка подгорает мелкими импульсами. В помещениях с высокой влажностью при прикосновении к металлическим элементам или токоведущим частям могут ощущаться легкие покалывания (удара потенцией). В ситуации, когда линия с поврежденной проводкой защищена УЗО, оно отключает цепь на щите.

Схожая ситуация будет наблюдаться и в случае заземления бытовой электроустановки по схеме TN-C-S. Однако здесь избыточный потенциал уйдет в заземляющий контур подъезда. Недостаток данной системы в том, что общее заземляющее устройство, подключенное к щитовому оборудованию многоквартирного дома, может быть повреждено или оборвано. В этом случае вполне вероятно получение электрического удара, так как защитный проводник PE в данном случае сопряжен с нейтралью, ведущей к подстанции.

Системы TT и IT в быту не применяются.

В схеме Т-С, при повреждении изоляции ток частично уходит в нулевую линию и частично в заземляющий контур, находящийся во дворе дома. При исправности контуров ничего не произойдет. Просто в случае короткого замыкания автомат выключит линию. Можно будет безопасно прикоснуться к корпусу, но не до касания других металлических объектов.

Иногда также возможно легкое, едва заметное покалывание. Однако такое явление связано с тем, что человеческое тело имеет свою собственную емкость.

Защита электрооборудования на производстве

В производственных помещениях, как правило, находится значительное количество как основного, так и вспомогательного оборудования. Кроме того, в цехах имеются системы вентиляции и освещения, подключенные к отдельным линиям.

Система освещения должна быть независимой согласно правилам пожарной безопасности, а вентиляция обустраивается с использованием ряда дополнительных вспомогательных проводников с заземлителями и разрядниками. Эти системы предназначены для удаления высоковольтного потенциала статического электричества, которое накапливается на вентиляционных системах при движении воздуха.

Обе системы заземления должны быть гальванически независимыми от основной системы защиты электрооборудования. Системы TN-C и TN-S могут использоваться в небольших обособленных помещениях с максимальным уровнем напряжения электроустановок до 380 В.

В целях обеспечения безопасности электроустановок в производственных помещениях применяют две схемы заземления – TT и TI. Кроме того, все коммуникации и металлические элементы, с которыми взаимодействуют обслуживающий персонал, должны быть занулены. Система вторичного зануления включает подключение к дополнительному заземлению арматуры железобетонных полов, стен и лестничных маршей с перилами.

Заземление сварочного оборудования

Сварочные аппараты представляют собой особый класс электроустановок. Это обусловлено многими факторами, в первую очередь, высокими токами, которые вызывают появление вторичных наводок на кабелях аппарата. Если в обычных электроприборах при работе двигателя или блока питания на корпусе возникает разность потенциалов в пределах единиц вольт, то у сварочного оборудования наводка может достигать десятков вольт.

Другим важным аспектом является индуктивный и периодический характер нагрузки. Стоит отметить, что на ноль сварочного аппарата попадают значительные токи, а в момент его включения потенциальный скачок может временно превышать сто вольт.

Ключевые особенности заземления сварочных аппаратов:

1. Каждая электроустановка должна иметь отдельный заземляющий контур.
2. Запрещено подключать несколько аппаратов к одной системе заземления.
3. На корпусе сварочного аппарата должна быть приварена клемма, где контакт от шины на «землю» крепится механическим способом.

Согласно ПУЭ-7 (пп.1.7.112-1.7.226), провод заземления для стационарной электроустановки должен иметь площадь сечения не менее 10 мм² для меди, 16 мм² для алюминия и 75 мм² для стали.

Сварочные инверторы и аналогичные электроустановки могут заземляться по схеме с изолированной нейтралью при условии установки автомата УЗО на отдельной линии.

Защита мобильных установок

Чаще всего речь идет о электроустановках, размещенных на транспортных средствах. Для мобильных мастерских и сварочных аппаратов, которые устанавливаются на неоснащенных площадках на достаточно длительный срок (до двух недель), возможно использование схемы заземления TT.

Для передвижных измерительных лабораторий, радиостанций и оборудования с незначительными токами используется схема TN-S. В обоих случаях заземление осуществляется с помощью стандартного алюминевого заземлителя с шнековой насадкой. Его необходимо вбить в землю на глубину не менее 80 см, если на площадке имеется травяной покров, что указывает на влажность почвы. Для сухих участков применяют систему из трех стальных штырей, углубляемых на 100-120 см.

Можно также использовать переносные заземлители, которые электрики применяют для обслуживания открытых электроустановок различного типа. Любая станция, генератор или трансформатор обладают собственной ёмкостью, а наличие воздушных линий (проводов), подвешенных над землей, только увеличивает эту ёмкость. Поэтому, после обесточивания, первым делом устанавливаются переносные заземления для всех линий. Эти заземления могут быть использованы временно для мобильных электроустановок.

Защита бытовых электроприборов

Схемы защитного заземления промышленных электроустановок и устройств описаны в технической документации. В то же время, бытовые приборы, даже сложные, такие как котлы или стиральные машины, зачастую не имеют системы заземления. Считается, что установку осуществляют представители компаний, которые и выполнят заземление.

Любой бытовой электрический прибор с рабочим переменным напряжением 42 В или постоянным 110 В и выше необходимо заземлять. Это требование прописано в п.1.7.33 ПУЭ. Исключения делаются для систем освещения, с которыми нет постоянного контакта. Все остальные устройства, которые мы используем и которые подключены к сети 220 В, подлежат обязательному заземлению.

Обычно для бытовых установок используется схема TN-C-S или TN-C. Защитный провод РЕ доступен в розетке и подключается к распределительному щиту и общему заземлению.

Если в квартире установлены мощные приборы (бойлер, стиральная машина, отопительный котел), рекомендуется создавать индивидуальную систему заземления с контуром в земле. Это особенно важно, учитывая, что общая «земля» на вводном щите многоэтажного дома, которая распределена между 20-25 квартирами, может не сработать в экстренной ситуации на все 100%.

Заземление необходимо также для установок с импульсными блоками питания, что позволит устранить высокочастотные наводки и исключить риск появления фазы на корпусе в связи с током утечки через сетевой фильтр.

Помимо этого, заземление холодильников является обязательным, так как это вторая по частоте причина поражения электрическим током после электробойлеров.

Основы заземления электродвигателей

Примерно половина всех электроустановок оснащены электродвигателями, преимущественно это моторы переменного тока. Характерная черта компрессорного двигателя – большое количество проводов, расположенных в статоре или роторе. Эти провода имеют тонкую, легко повреждаемую изоляцию – лакированную или эмалевую.

В результате неисправности электродвигателя, многие сталкиваются с поражением электрическим током:

1. Минимальная изоляция и высокая температура обмоток.
2. Провода могут соприкасаться с корпусом.
3. Ротор может продолжать вращаться даже после отключения питания, высвобождая накопленную энергию как в линию, так и на корпус.

Для заземления электродвигателей используют рассеивающий контур, который соединяется проводом или шиной через клемму на корпусе. Питающая проводка подключается к двигателю по схеме ТТ. Если в помещении установлено несколько электродвигателей, их нужно подключать к токоведущей шине с отдельным проводом параллельно, без последовательных соединений.

Для небольших электродвигателей на 220 В иногда можно сделать исключение в отношении защитного провода, но только если мотор установлен на металлическом основании и закреплен шпильками, заколоченными в землю на глубину не менее 60 см.

Тем не менее, даже в таком случае обслуживание электродвигателя начинается с полного обесточивания и установки дополнительного выносного заземления на корпус. Сначала монтируется заземляющий контур, а затем производится его крепление к корпусу мотора. Это универсальное правило для подключения всех типов заземлений.

Заключение

Заземление электроустановки – это единственный способ защитить себя от поражения электрическим током, как со стороны питающего трансформатора, так и от остатков потенциального напряжения на линии. Несмотря на то что в ПУЭ некоторые моменты не прописаны детально, при эксплуатации электрооборудования следует придерживаться правил, а инструкцию производителя использовать лишь как дополнение.

Поделитесь своим опытом заземления установок – с какими проблемами вам приходилось сталкиваться и как вы их решали. Сохраните эту статью в закладках, чтобы полезная информация осталась у вас под рукой.