Эксплуатация промышленных установок и электрических сетей невозможна без грамотно спроектированной, обустроенной с соблюдением требований действующих ПУЭ (смотрите пункт 1.7). С ее помощью удается организовать надежную защиту рабочего персонала и рядовых потребителей от поражения опасными напряжениями и удара током. В зависимости от того, за счет каких средств она обеспечивается и по каким схемам организуется, различают искусственное и естественное заземление. Ко второму типу систем заземления относят расположенные в грунте участки и элементы строительных металлоконструкций и трубопроводов, состоящие из отрезков труб, арматуры и других элементов. К искусственным разновидностям этих сооружений относятся специально созданные человеком заземляющие устройства (ЗУ), по-другому называемые защитными контурами заземления.
В виду ненадежности естественных конструкций, не гарантирующих уверенного стекания аварийного тока в землю согласно правилам ПУЭ для действующих электроустановок обязательно обустройство специальных ЗУ. Только таким путем технический персонал сможет контролировать величину сопротивления растекания тока в грунт, являющуюся основным показателем эффективности заземлителей.
Его точное значение, как правило, определяется текущим состоянием почвы, а также техническими параметрами конструкции и свойствами материалов, которые применяются при ее изготовлении. Определяющим фактором при расчете этой величины является площадь непосредственного соприкосновения с землей входящих в состав конструкции штырей, пластин, а также отрезков труб и подобных им элементов.
Что такое PE и PEN проводники
Согласно ГОСТ Р50571.2-94 года классическая схема заземления содержит в своем составе следующие виды шин, отличающиеся по функциональному назначению:
- Фазные проводники.
- Шина N, представляющая собой так называемый «рабочий нуль», служащий для создания токовой цепи нагрузки (другое ее название – нейтраль 3-х фазной сети).
- PE – специально обустраиваемая защитная нулевая жила, используемая для организации повторного заземления и зануления на приемном (потребительском) конце.
- PEN – совмещенный проводник, выполняющий функции обеих рассмотренных выше шин.
Цветная маркировка проводов на схеме: Ф1-красный, Ф2-желтый и Ф3-зеленый цвета, N – синий, PE – желто-зеленый, а PEN – комбинация двух цветовых окрасок.
Для фазных проводов традиционно применяется трехцветная маркировка: Ф1-красный, Ф2-желтый и Ф3-зеленый цвета. Нейтральные проводники в рабочих схемах также отличаются особым колером (N – синий, PE – желто-зеленый, а PEN – комбинация двух цветовых окрасок).
Дополнительная информация: Каждый из этих проводников подбирается по сечению шины, которое не должно быть менее половины того же показателя для любой фазной жилы.
Умение различать типы нулевых проводов позволит пользователю разобраться в следующих важных вопросах:
- Как организуются защитные PE, N рабочие и совмещенные PEN проводники?
- Для каких целей нужен каждый из них?
- Как делается заземляющий контур на потребительской стороне?
Ответы на эти вопросы приблизят заинтересованного пользователя к пониманию принципа работы схем зануления и заземления. Для тех, кто давно не занимался этой темой, напомним, что под заземлением электросетей и оборудования понимается соединение открытых для случайного прикосновения токопроводящих частей с землей.
Что такое нейтраль
Чтобы понять, чем различные способы заземления отличаются один от другого – важно разобраться с тем, что представляет собой нейтраль, предусмотренная в любой электросети.
Нулевая точка трехфазных электрических сетей: а) заземленная наглухо, б) заземленная через высокоомное сопротивление, в) изолированная от земли
Ее наличие в составе комплекта проводов, обеспечивающих передачу электроэнергии от подстанции к потребителю, объясняется следующими обстоятельствами:
- при организации трехфазного энергоснабжения токовые составляющие в каждой из фаз теоретически должны быть равными по величине;
- при протекании по обратной ветви, называемой нейтралью, за счет векторного сложения (три фазы, сдвинутые одна относительно другой на 120 градусов) они, по сути, должны взаимно компенсироваться;
- в реальности из-за перекоса фаз, вызванного неравномерностью распределения нагрузки, обратная составляющая тока через этот провод постоянно не равна нулю.
Важно! Более того, величина перекоса может достигать значительных величин, что и приводит к необходимости уделять нейтральному проводнику особое внимание.
Его общая толщина в частности, согласно ПУЭ не должна быть менее половины сечения фазных шин. В противном случае из-за значительных по величине токовых нагрузок нередко проявляется такое неприятное явление, как «отгорание нуля». Именно поэтому в нейтральном проводнике не допускается устанавливать защитные приборы, приводящие к его обрыву при срабатывании в случае перегрузок.
Конструкция заземления
Рабочее заземление представляет собой вбитые в землю железные штыри, играющие роль проводников, на глубину около 2-3 метров.
Такие металлические прутья соединяют заземлительные клеммы электрооборудования с шиной заземления, тем самым образуя металлосвязь.
Металлосвязь есть в каждом жилом доме. Это сварная железная конструкция, которая соединяет друг с другом верхние концы заземлителей. Её заводят к вводному щитку дома для дальнейшей разводки по квартирам.
В качестве заземляющего проводника используют шину или провод с сечением не менее 4 кв. мм, окрашенные в жёлтые и зелёные полосы. Кабель в основном используют для переноса функционального заземления от шины к шине.
В целях безопасности проводится периодическая проверка электронного сопротивления металлической связи заземления. Оно измеряется от клеммы заземления электроустановки до наиболее удалённого от неё наземного контура заземления. Показатель сопротивления в любой части рабочего заземления не должен превышать 0,1 Ом.
TN и ее разновидности
Существующие системы заземления действующих электроустановок классифицируются по следующим основным признакам:
- Рабочее состояние нейтрали (глухо заземленная или полностью изолированная).
- Порядок ее проводки на протяжении всего участка прокладки трассы от подстанции с понижающим трансформатором до электроустановки потребителя.
- Особенности подключения заземляемой нагрузки к нейтрали.
Основным рабочим документом, определяющим деление на виды заземления на территории России, является ПУЭ (в частности – пункт 1.7). В нем приводится описание характерных признаков, по которым принято дифференцировать действующие системы ЗУ. Их сокращенное обозначение построено на основе сочетания первых букв слов «Terre», «Neuter», «Isole», что переводится с французского языка как «земля», «нейтраль» и «изолированная».
Cхемы заземления TN в 3-х различных исполнениях, обозначаемых как TN-C, TN-S, TN-C-S
Значение каждого символа, применяемого при их обозначении, расшифровывается следующим образом:
- T – означает заземление вообще.
- N – это значит, что оно подсоединено к нейтрали.
- I – изолированное состояние шины.
- C (от начальной буквы слова «common» или общая жила) – информирует о совместной прокладке или объединении функций рабочего и защитного проводников.
- S (от начального значка английского «select») – означает раздельное использование этих же проводов.
В приведенных способах маркировки по последовательности и виду букв можно судить о способе защиты источника тока и особенностях схем защитного заземления, обустраиваемых на потребительской стороне. При организации промышленных электросетей различают схемы заземления TN, TT и IT. Самая первая из них, относящаяся к наиболее распространенным, встречается в 3-х различных исполнениях, обозначаемых как TN-C, TN-S, TN-C-S. Чтобы четко понимать основные различия этих способов обустройства защиты потребуется рассмотреть каждый из предложенных вариантов более подробно.
Важно! Из фрагмента обозначения «N» следует, что для подсоединения нулевых проводников (независимо от их прямого назначения) применяется глухозаземленная нейтраль питающих обмоток понижающего трансформатора.
Также важно помнить о том, что все токопроводящие корпуса и экраны на потребительской стороне подключаются к нулевому проводнику, подсоединенному к этой же нейтрали (другими словами – они надежно заземляются).
Обустроенная таким образом схема имеет следующую характерную особенность: ее «ноль» или шина N подключена к собственному контуру заземления, имеющемуся на трансформаторной станции. Глухозаземленной такая нейтраль называется потому, что между ней и контуром заземления не устанавливается ни дугогасящего реактора, ни других видов защитных средств. Ниже приводится описание различных модификаций TN.
TN-C
Согласно использованному в названии буквенному обозначению, для нее характерно объединение двух проводящих ток шин (вспомним, что «C» – это по-английски common или общий провод). Классическая схема заземления TN-C представляет собой традиционную четырех проводную линию энергоснабжения с тремя фазными и одним нулевым проводником (смотрите фото ниже).
Традиционная четырех проводная линия энергоснабжения с тремя фазными и одним нулевым проводником
Последняя из обозначенных типов шин представлена в данном случае совмещенным электрическим проводником, со стороны подстанции наглухо заземленным на собственный контур. На приемном конце к нему посредством медных шинок подсоединяются все открытые токопроводящие элементы корпусов и металлические части приборов (кроме того, сюда же подключается рабочий ноль). У этой системы имеется целый ряд недостатков, основные из которых перечислены ниже:
- возможность потери защитных функций при случайном обрыве или отгорания нейтрали (нулевой жилы), приводящая к угрозе поражения высоким напряжением;
- отсутствие в розетках электросетей отдельного проводника, обеспечивающего полноценное заземление (так называемое «расщепление» на щитке специалистами, как правило, в расчет не принимается);
- невозможность организации повторного заземления из-за совмещенности защитных и рабочих функций;
- как вынужденная мера – необходимость применять схему защитного зануления, то есть соединять корпус оборудования с нулевым проводом.
Дополнительная информация: В последнем случае основным прибором защиты является пороговый элемент (автомат), установленный на стороне потребителя и мгновенно отключающий цепь питания при попадании фазы на корпус.
Высокая скорость срабатывания автоматического выключателя не позволяет опасным токам достичь значений, угрожающих жизни прикоснувшегося к корпусу оборудования человека. Важнейшим ограничением при необходимости организации вынужденной защиты бытовых приборов является запрет на совмещение заземления и уравнивания потенциалов в ванных комнатах квартир. Сегодня эта схема на практике используется крайне редко; она до сих пор сохранилась лишь в строениях, относящихся к категории старого жилья. Кроме того, ее иногда применяют в электрических сетях, предназначенных исключительно для уличного освещения, в которых вероятность поражения опасным потенциалом очень мала.
Заземляющие системы TN-S
Более универсальная и безопасная в плане эксплуатации защитная схема TN-S отличается раздельной прокладкой рабочей и защитной нулевых шин (смотрите фото ниже).
Более универсальная и безопасная в плане эксплуатации защитная схема TN-S
Она была разработана, а затем внедрена в сетевые структуры действующих электрических подстанций еще в 30-е годы прошедшего века. Одновременно с высоким уровнем безопасности, обеспечиваемым этой системой, данный подход к обустройству защитных цепей имеет один, но очень важный недостаток. Он касается экономической стороны прокладки трасс и связан со значительным расходом кабельного материала (общая длина проводов в этом случае увеличивается вдвое).
Соответственно и издержки на организацию прокладки такой системы заметно возрастают. Еще одним характерным признаком этого способа защиты от поражения электрическим током является увеличение числа проводников, поступающих на вводное распределительное устройство к потребителю.
Обратите внимание: Подача 3-х фазного напряжения в этом случае осуществляется по пяти проводам, а при однофазном питании – по трем (вместо 2-х в системе TN-C).
Для заземления, производимого по методу «наглухо» на стороне источника поставляемой энергии, берется совмещенная нулевая шина. В положениях ГОСТ Р50571 и самой последней (обновленной) версии ПУЭ содержатся рекомендации по обустройству на вновь вводимых объектах системы TN-S, позволяющей обеспечить требуемый уровень безопасности. С другой стороны ее широкому внедрению во все работающие и запускаемые с нуля энергетические комплексы препятствуют высокие затраты на прокладку кабельных изделий по двум параллельным линиям. Кроме того, этому мешают сложившаяся за многие годы традиция и привязанность энергетики нашей страны к четырехпроводным схемам трехфазного питания (два провода на вводе в квартиру).
TN-C-S
В качестве промежуточного варианта, вобравшего в себя положительные стороны обеих рассмотренных систем, была разработана еще одна схема, отличающаяся следующими особенностями:
- для оптимизации расходуемых на ее обустройство средств начальный участок трассы прокладывается в виде совмещенного проводника, а оставшаяся ее часть изготавливается в полностью раздельном виде (как TN-S);
- такое разбиение позволяет получить вполне пригодную к эксплуатации систему, не требующую значительных расходов и по безопасности не уступающую второму (раздельному) варианту;
- разбиение на два проводника (защитную и нулевую шину) на вводе к потребителю позволяет обособить их функционально именно на этом не очень длинном участке;
- благодаря такому приему удается совместить возможность получения полноценного вертикального заземления и сэкономить на прокладываемых проводах;
- вертикальное заземление – это вбитые в землю металлические штыри, соединенные на сварку стальными перемычками (последние условно относят к горизонтальным элементам контура).
Обратите внимание: В этом случае на вводе в квартиру и к розеткам в жилых помещениях подводятся три жилы вместо двух, применяемых в системе TN-C.
Их наличие позволяет в частном доме организовать полноценное и надежное повторное заземление.
Промежуточный вариант, вобравший в себя положительные стороны рассмотренных систем TN-C и TN-S
При сравнении систем заземления TN-C-S и TN-S необходимо отметить следующие их различия:
- у первой из них имеются существенные недостатки, схожие с теми же минусами, что и у полностью совмещенной схемы прокладки нулевых проводников;
- они состоят в том, что при случайном повреждении или отгорании провода PEN на участке от трансформаторной подстанции до места расщепления все обслуживаемое оборудование останется без защиты и нуля;
- во-вторых, в этом случае по аналогии с первым вариантом, нельзя воспользоваться занулением схемы которое нередко применяется для защиты человека и электрических установок;
- в системе TN-S по понятным причинам этого случиться не может, поскольку вся рабочая токовая нагрузка приходится на соответствующий провод N, проложенный отдельно от защитной шины PE.
По этой причине при разработке и внедрении системы TN-C-S действующими нормативными актами предписываются особые меры защиты совмещенного PEN провода от непреднамеренного повреждения.
Назначение защитного заземления
Уже из самого названия понятно, что цель заземления – это защита человека от поражения электрическим током. Где он (ток) может появиться? На всех металлических частях и корпусах различных электроприборов, которые работают от электричества. Но, скажите Вы, сейчас такие хорошие изоляционные материалы, высокие технологии и т. д. И будете правы. Но не стоит забывать и случайности, которые в нашей жизни происходят довольно часто.
Простой пример из нашего быта. Представьте обыкновенную небольшую духовку для приготовления курочки, тортиков, выпечки. Она имеет, как и многие бытовые приборы (холодильник, боллер, микроволновка, насос и т.д.) металлический корпус. Со временем изоляция на проводах может разрушиться, подплавиться или просто отгорит какой-нибудь провод. Причин много: длительное время эксплуатации, высокая температура, вибрация, заводской брак, нарушение правил эксплуатации прибора и многое другое.
Этот «голый провод», находящийся под напряжением может случайно оказаться на металлическом корпусе, значит, он весь окажется под напряжением (корпус). Что может произойти в данном случае? Может быть короткое замыкание, и тогда автоматика просто отключит электричество. А может ничего не произойти, всё будет работать до тех пор, пока человек не затронет корпус духовки.
Во время прикосновения к металлической части (токопроводящей), человек получит электрический удар. Какой силы он будет, не знает никто. Здесь всё индивидуально и зависит от сотни факторов. Рассматривать их не будем (факторы), но любой удар током – это сильный стресс для организма, особенно для сердца. Благо, если всё закончится хорошо, а ведь бывают и смертельные случаи. Никого не хочу пугать и отказываться от электротехники, но статистика не умолима и показывает конкретные факты.
Защитное заземление
Итак, для чего делают заземление, думаю понятно. Не случайно в любой бытовой технике питающие провода выполнены трёхжильным проводом и вилка имеет заземляющую клемму. Кстати, требования к электропроводке, сейчас значительно изменились, и для питания любых приборов применяют только трёхжильный провод. Одним словом — наличие защитного заземления обязательно. Если раньше двух жил проводов (фаза и нуль) в электропроводке дома или квартиры было достаточно, то сейчас уже «такое безобразие» монтировать нельзя. Наличие «земли» обязательное и нужное требование. Даже светильники для бани имеют на клемнике заземляющий провод, подключенный к корпусу.
Заземляющие системы TT и IT
Схемы заземляющих систем TT и IT
Схема ТТ
Заземление TT применяется в тех исключительных случаях, когда обеспечить надежную защиту с применением системы TN-C-S не представляется возможным или связано со значительными затруднениями. Это в основном касается удаленных от городских центров территорий, обычно относящихся к отдаленным сельским местностям и регионам. В этих условиях все чаще применяются системы заземления TT, в которых предусматривается «глухое» соединение нейтрали трансформатора с землей с последующей передачей 3-х фазного напряжения с использованием четырехпроводной линии.
Дополнительная информация: Четвертой шиной в этом случае является так называемый «функциональный» или рабочий нуль N (он же – нейтральный провод).
На стороне, где располагаются нагрузки, как правило, обустраивается уже не повторное, а местное заземление вертикально-штыревого типа. К нему подключаются все медные шины-проводники PE, подсоединяемые с другой стороны к корпусу электрооборудования.
Четырехпроводная система заземления TT
Эта система официально разрешена к применению на территории России совсем не так давно. Несмотря на это она быстро «прижилась» в различных условиях эксплуатации энергосистем и широко используется в сельских районах, удаленных от городских центров на значительные расстояния. В пределах городской черты схема заземления типа TT нередко применяется при обеспечении электричеством различных торговых точек и небольших временных построек, связанных с оказанием бытовых услуг.
Дополнительная информация: Помимо этого, эти системы часто используются при электроснабжении бытовок и строительных вагончиков, временно устанавливаемых в границах возводимых объектов.
При этом подходе к организации систем защитного заземления должны выполняться особые требования. Они касаются вопроса установки в обслуживаемые цепи приборов и устройств защитного отключения (УЗО), а также специальных молниеотводов с функцией защиты от грозы.
Помехи и правильное заземление
Он продолжил.
Я вот о чем: сейчас во многих корпусах присутствуют аналоговые аудио разъёмы на передней панели. Соединение фронтального выхода звуковой карты с этими разъёмами выполняется экранированным проводом. На первый взгляд всё замечательно. Но некоторые производители корпусов дополнительно соединяют экран этого провода с землей например USB разъёмов, тоже находящихся на передней панели, и (или) на шасси всё это подключают. Естественно, потенциал земли на выходе звуковой карты и на цифровых разъёмах не может быть одинаковым (по крайней мере в моём случае амплитуда разницы по переменному току около 200 mV — смотрел осциллографом). Эта помеха вызывает соответствующий ток в экране аудио кабеля, нарушая штатный режим работы цепи и приводя во многих случаях к весьма неприятному акустическому шуму на фронтальных аудио разъёмах. Выход один — отключать вторую точку заземления экрана фронтального аудио кабеля, и оставлять его заземленным только на звуковой карте. (выделено мною.)
Заземление
Проблема помех не кончается на тех о которых я рассказал в статьях «Компьютер как источник помех» и «Виды помех в линиях передачи информации и способы борьбы с ними».
Я столкнулся с ними когда занимался высокочастотными (частоты 30-100 МГц) широкополосными усилителями. Там неправильно выбранная точка заземления, превращало усилитель в генератор.
Это помехи, так называемые, «Ground loops».
При рассмотрении методов заземления следует помнить:
- любой проводник имеет импеданс состоящий из активной и индуктивной составляющей,
- разнесенные в пространстве точки заземления имеют различный потенциал,
- Силовая земля никогда не годится для использования в качестве сигнальной земли.
В силовых цепях с большими токами, в системах где работают со сверх малыми сигналами или устройств работающих на частотах превышающих 30-100 МГц величина импеданса проводника начинает существенно сказываться на уровень помех в системе.
В случае бессистемного расположения точек заземления в перечисленных устройствах, разность их потенциалов, приводит к появлению токов перетекания. Эти токи перетекают по путям наименьшего сопротивления. Как правило это медные оплетки экранов. Протекающий по ним ток наводит помехи на сигнальные цепи и излучается в пространство.
Тем более это важно в современных компьютерах, где тактовые частоты процессоров, чипсет’ов, видеопроцессоров, памяти уже превысили 1 ГГц, а у других «медленных» устройств находится около сотен мегагерц.
В современных электронных устройствах и ПК применяются несколько типов заземлений.
Заземление в одной точке
| Рис.1. Последовательное подключение заземления. В точке А потенциал равен UA=(I1+I2+I3)R1, который отличается от потенциала точек B и C. Этот потенциал UA является помехой для узлов 1,2,3, распространяющейся по цепи заземления и переизлучаются. По этой цепи не только распространяется помеха, но и возникают положительные или отрицательные обратные связи (в усилительных устройствах). | Рис.2. Параллельное подключение заземления. Потенциал в точках A, B, C определяется только токами узлов 1,2,3 протекающими по их сопротивлениям цепи заземления. UA=I1*R1: UB=I2*R2; UC=I3*R3 Обратные связи при этом не возникают и помехи узла 1 могут попасть на другие узлы только через излучение. |
Схему заземления рис.1. не следует применять в системах с большим разбросом потребляемой мощности и в импульсных цепях высокого быстродействия. Самые критичные узлы схемы должны иметь наиболее короткое соединение с землей.
На первый взгляд может показаться что подсоединил землю, как показано на рис.1а и 2а и все нормально.
Но это только на первый взгляд.
Реальные проводники имеют свое сопротивление и индуктивность. Не смотря на малость этих величин импеданс заземляющего проводника начинает сказываться при токах превышающих 1-10 А или при частоте протекающих токов более 100 КГц. Поэтому появляются схема рис1б и рис.2б, где R представляет собой это сопротивление. И сразу появляется проблема шумов.
Из схем подключения заземлений показанных на Рис.1 и 2. наименьшим уровнем помех обладает схема рис. 2. Но она требует наибольшего количества проводов.
Применяя схему рис.2 при протекании импульсных высокочастотных токов (это характерно для ПК) импеданс земли увеличивается из-за индуктивной составляющей. Это способствует и увеличения индуктивной связи между заземляющими шинами.
Для того чтобы заземляющие провода не излучали их длинна должна быть минимальна ( не более 0,05λ). В случае импульсных токов определить fmax и соответственно λ, не имея опыта затруднительно, поэтому длинна заземляющих проводников должна быть минимальна.
Рассмотрим еще один вариант подключения земли.
Разнесенные земли
Для минимизации влияния импеданса земли на высокочастотных и импульсных токах применяется система с многоточечным заземлением.
Рисунок 3. Заземление в нескольких точках.
Не смотря на конечный импеданс заземляющих проводников эта схема позволяет снизить их величину за счет коротких проводников. Но такая схема предъявляет повышенные требования для заземляющих поверхностей. Поскольку сама заземляющая поверхность может иметь высокий импеданс.
Заземляющая поверхность должна иметь:
- высокую электропроводность,
- низкую индуктивность (соотношение ширина / длина не более 10),
- высокую глубину проникновения тока (не допускается применять материалы μ которых μ>1),
В цепях ВЧ и импульсных токов заземляющую поверхность желательно посеребрить, ее саму ставить на изолирующих опорах. Саму заземляющую поверхность необходимо заземлять в одной точке к специальной приборной (измерительной) земле.
Такая заземляющая поверхность будет близка к идеальной.
Они применяются в приборных стойках работающих в условиях высокого уровня помех.
Рисунок 4.
На рис.4 показана примерная организация заземления в такой стойке.
Корпусные земли
Электронные устройства в любой сложной системе монтируются в стойки и шкафы. Техника безопасности требует заземления таких стоек (шкафов). Земля таких систем всегда сильно шумит и имеет величину сопротивления растекания определяемое требованиями безопасности. А это, если мне не изменяет память, что-то около 0,5 ома.
Г. Отт рекомендует применять показанное на рис. 5 для стойки 1 (стойка 2 пример неправильного подключения) схему подключения заземления.
Рисунок 5.
Мой опыт показывает, что при наличии большого количества количества шумящих стоек в одном помещении, для их заземления необходимо применять отдельное заземление. Такие системы должны иметь раздельные силовую и приборную земли и выглядеть так:
Рисунок 6.
Заключение
Я постарался рассказать об изложенных в книге — Г. Отт, «Методы подавления шумов и помех в электронных системах» методы борьбы с помехами с помощью оптимизации заземления узлов. Это проверенные моей практикой решения, которые я могу рекомендовать к применению. Но здесь исправлены некоторые описки и внесены некоторые добавления.
А. Сорокин. 2009 год.
<<назад>> <<в начало>> <<на главную>>
