Как понять что такое заземление
Что такое заземление — простыми словами для новичков объясняю технические способы защиты человека от действия электрического тока, которые работают даже при случайных авариях
Что такое заземление и почему ему стоит уделять внимание интересует тех владельцев домов, кому не безразлично здоровье и безопасность всех членов семьи.
Этой статьей я объясняю простыми словами, как оно работает и какие научные схемы разработаны для защиты людей от поражения электрическим током в различных случаях возникновения аварийных ситуаций.
Как просто представить работу заземления в бытовой проводке
Подходит зверек к предложенному угощению, чуть-чуть дотрагивается до него, а скрытая сила мощной пружины моментально бьет по мышке металлической рамкой… Точно так, совершенно неожиданно, человек получает травмы от электричества.
Электрический ток всегда протекает только внутри замкнутой цепи под действием приложенного напряжения. Он направлен от потенциала большей величины к меньшему. Когда же эта цепочка разорвана, то тока нет, а риск попасть под его действие огромный.
В наших жилищах существует довольно много факторов, когда опасный потенциал, например, фазы может проникнуть на токопроводящие конструкции (корпус бытового прибора), и остаться на них потому, что дальнейшая цепь изолирована диэлектрическим слоем.
Этим свойством пользуются «шутники», не до конца представляющие последствия своих действий.
Стоит только создать контакт высокого потенциала с землей, как через нее (почва обладают высокой проводимостью) сразу протекает ток, отводящий эту энергию. Если на его пути оказывается живое существо, то судьба его не завидна.
Поэтому все токопроводящие корпуса современных бытовых приборов специально (преднамеренно) соединяют через заземляющие устройства (ЗУ). Этим достигается моментальное стекание опасного заряда через выделенный контур земли в сети с глухозаземленной нейтралью.
По цепочке РЕ проводника создается надежный электрический контакт через землю с источником напряжения главного распределительного щита (ГРЩ) на питающей подстанции.
При соединении потенциалов фазы, оказавшейся на корпусе, и земли возникает ток короткого замыкания. Его должен отключить автоматический выключатель SQ, подобранный по местным условиям.
Этот процесс называется защитным отключением. Он подробно изложен в главе 1.7 ПУЭ.
Схема заземления с глухозаземленной нейтралью используется в нашей стране на подстанциях 0,4 кВ с трехфазными генераторами. Их обмотки собраны по схеме «звезда» с общей точкой, выведенной на заземляющее устройство.
Аналогичным образом подключены потребители. За счет такого соединения обеспечивается равенство потенциалов земли и нейтрального провода.
Кроме защитной функции оно может выполнять еще и технологические задачи, связанные с нормальной работой электротехнического оборудования.
Как обыкновенный человек может попасть под действие тока в собственном жилище, на производстве и в любом другом месте: краткое пояснение физических процессов
Правила безопасности учитывают несколько вариантов развития подобных событий и предлагают технические решения для спасения от них. Это важно хорошо понимать.
Какие опасности скрыты в схеме существующей бытовой сети
Современные квартиры буквально напичканы электрическими помощниками, облегчающими наш быт. Их производители стремятся максимально обезопасить пользователей, но от них не все зависит.
Любая техника имеет ограниченный ресурс, а качество ее изготовления, складского хранения и эксплуатации не всегда соответствует техническим нормативам. Поломки возникают случайно в самых неожиданных местах.
Например, через сгоревший ТЭН с нарушенной изоляцией фаза элементарно распространяется через окружающую его водную среду в стиральной или посудомоечной машине.
Подобное повреждение диэлектрического слоя происходит довольно часто. При включении электрического прибора с нарушенной изоляцией высокий потенциал фазы переходит на токопроводящий корпус.
Стоит человеку до него дотронуться, как он попадает под напряжение, а через его тело начинает протекать опасный ток.
Его величина по закону Ома ограничивается только общим сопротивлением участка цепи, которое носит случайный характер. Сила протекающего тока может иметь значения от десятых долей ампера и значительно больше. Исход получения электротравмы предсказуем.
Если же корпус бытового прибора надежно заземлен, то картина протекания тока через человека резко меняется.
Сопротивление заземляющего контура строго регламентируется и поддерживается на безопасном пределе. За счет этого потенциал фазы стекает с корпуса. Когда к нему дотронется человек, то создаваемая нагрузка через его тело своей силой не сможет причинить большого вреда организму.
А чтобы его еще уменьшить в схему вводятся:
Однако в этом вопросе тоже не все так просто, ибо даже правильно настроенный автомат может банально не сработать из-за того, что при его выборе не учтено сопротивление петли фаза ноль. Таких случаев встречается много: проводка выгорает (возможно и здание), а защита не отрабатывает.
По этой причине включение УЗО в схему обязательно: оно отработает от возникшей утечки.
Жилые и производственные помещения содержат в своей конструкции не только закрытое изоляцией электрическое оборудование, но и массу технических систем (водопроводы, газопроводы, антенны, воздуховоды, арматура стен, рельсы и шахты лифтов…) выполненных из стальных или иных токопроводящих материалов.
В силу различных обстоятельств на них может быть подано напряжение (удар молнии, пробой изоляции бытовой сети, ошибки электриков или домашних мастеров…).
Когда человек прикоснётся к такому предмету, то через него может потечь опасный разряд.
Его величина не предсказуема, зависит от многих случайных факторов, но она весьма опасна для жизни.
Поэтому все токопроводящие магистрали, даже не относящиеся к электрической схеме, подключаются к контуру заземления здания. Такое их соединение называется ОСУП — основная система уравнивания потенциалов. Она призвана надежно отводить случайно появляющийся опасный потенциал из зоны обитания людей.
В многоэтажных зданиях современного панельного или монолитного строительства подобные технические системы, например, трубопроводы различного назначения имеют большую протяженность, достигая нескольких сотен метров.
Если через них станет проходить ток большого разряда, то на такой длине, имеющей увеличенное сопротивление, возникает падение напряжения. Оно тоже опасно для людей, поэтому подлежит снижению.
С этой целью во всех квартирах все токопроводящие части, не относящиеся к электрической схеме (трубы, краны, батареи, даже акрилловые ванны, собирающие статическое электричество), тоже подлежат подключению к контуру заземляющего устройства здания.
Такое соединение называется ДСУП или дополнительная система уравнивания потенциалов.
Здесь тоже важно использовать защиты типа УЗО или дифавтоматы.
А как работает заземляющая конструкция в этих ситуациях я рассказываю дальше.
Каким 4 главным требованиям должно отвечать любое заземление
1. Защитное заземляющее устройство создается для эффективного отвода опасных потенциалов на контур земли, случайно проникающих на токопроводящие конструкции, не предназначенные для работы в составе электрической схемы.
2. ЗУ должно надежно соединять все составные части электроустановки, включая конструкции открывающихся металлических дверок шкафов и щитов. Обычно для этого используют гибкие медные проводники с оболочкой желто-зеленого цвета.
3. Общее сопротивление электрических контактов системы заземления регламентировано пунктом 1.7.103. ПУЭ. Оно не должно быть выше, чем 4÷30 Ом.
Этим достигается надежность протекания аварийных токов на глухозаземленную нейтраль генератора в сети 220 вольт.
4. На этапе строительства необходимо предусматривать равномерность распределения нагрузок за счет монтажа системы выравнивания потенциалов.
Полезная информация
Во многих ситуациях вопрос обеспечения безопасности электроустановки можно решить не только за счет установки ЗУ, но и переводом сети электроснабжения со схемы с глухозаземленной нейтрали на изолированную простым подключением к разделительному трансформатору.
Этот способ широко применяется на всем медицинском оборудовании, а разделительные трансформаторы имеются в продаже.
4 основных системы заземления жилых зданий
Электрическая связь потребителей с глухозазмеленной нейтралью подстанции может выполняться разными способами. При этом цепочка прохождения аварийных токов претерпевает изменения, что сказывается в конечном счете на безопасности людей.
Кратко разберем четыре наиболее распространенные электрические схемы.
Самая старая система заземления TN-C
От трансформаторной подстанции 0,4 кВ к потребителям по кабельной линии подводятся три потенциала фаз звезды и общая нейтраль, заземленная на стороне генератора. На стороне потребителя смонтировано повторное заземление.
Нейтраль используется для совмещенной передачи как рабочих нагрузок, так и аварийных токов.
Корпуса электрических приборов не заземляются. При пробое изоляции высокий потенциал напряжения проникает на корпус, а прикоснувшийся к нему человек попадает под действие тока.
Это наиболее опасная схема. Для снижения рисков при работе со сложным электротехническим оборудованием в ней раньше применялось зануление.
Суть этого технического мероприятия состоит в том, что корпус прибора, а чаще всего это были инструменты типа электродрели, преднамеренно до начала работы подключался к нулевому проводу.
Когда происходил пробой изоляции, то фаза попадала на корпус. Сразу в сети питания возникало короткое замыкание. Его должен был отключить автоматический выключатель. За счет его срабатывания выполнялась защита работника.
Использование зануления в быту может быть выполнено простым соединением нулевого и заземляющего контактов в розетке. Но делать это нельзя потому, что вместо повышения безопасности можно создать массу неприятностей не только себе, но и окружающим людям.
Схема TN-C дорабатывает свой срок на старом оборудовании прошлого века, а во вновь монтируемом уже не монтируется.
Самая безопасная система заземления TN-S
Здесь в кабельную линию дополнительно подключается пятая жила за счет деления нейтрали на две отдельные магистрали, предназначенные для протекания:
К магистрали РЕ проводника предъявляются очень жесткие требования по монтажу и эксплуатации. Внутри него, в отличие от рабочего нуля, запрещено устанавливать любые коммутационные аппараты.
За счет этого он имеет минимально возможное электрическое сопротивление, по которому отводятся токи аварийных режимов.
Единственный недостаток этой схемы — повышенные материальные затраты на дорогие кабельные линии.
Современная модификация системы заземления TN-C-S
Поскольку оперативно перевести все здания страны со старой схемы TN-C на новую TN-S практически невозможно, да и очень затратно, то сейчас разработан и реализуется проект TN-C-S.
В нем от ТП 0,4 кВ идет старый кабель с четырьмя жилами. Внутри вводного силового щита монтируется главная защитная шина (ГЗШ), которая подключается на контур повторного ЗУ.
PEN проводник, приходящий от трансформаторной подстанции, на ГЗШ расщепляется на два потока:
В этой схеме для отвода аварийных токов внутри здания работает уже отдельный РЕ проводник. За счет его использования безопасность пользования электрическими приборами значительно повышается.
Любые самостоятельные эксперименты по подключению своих электроприборов к самодельным контурам ЗУ владельцами квартир многоэтажных зданий неуместны. Причин для этого очень много, а использовать уже заземленные трубопроводы и металлоконструкции — опасно.
Они, благодаря неумелым действиям, в большинстве случаев только повышают риски поражения людей электрическим током.
Эффективная система заземления TT для частных зданий, питаемых воздушными линиями электропередач
Воздушные ЛЭП массово распространены в сельской местности. Они монтируются по старой четырехпроводной схеме.
Владельцы частных домов могут значительно повысить свою безопасность за счет создания дополнительного контура ЗУ и подключения к нему РЕ проводниками токопроводящих корпусов всех бытовых приборов.
Эту работу можно выполнять самостоятельно.
2 типа устройств заземления, разработанные по научным рекомендациям для частного дома
Домашние мастера, начитавшись упрощенных рекомендаций в интернете, часто допускают серьезные ошибки при монтаже контура ЗУ своими руками. Важно понимать, что надежно обеспечить электрическую безопасность жилища могут только конструкции, отвечающие требованиям научных разработок.
Для самостоятельного изготовления контура необходимо выполнить требования ПУЭ, изложенные в главе 1.7.
Потребуется рассчитать его размеры и заглубление конкретно под ваши условия местности, исходя из круглогодичного состояния сопротивления почвы и ряда других факторов. Им нельзя придавать какие-то усредненные значения.
После монтажа контура потребуется выполнить контрольные замеры и при необходимости внести коррективы в конструкцию. Возможно, придется доставлять дополнительный электрод.
Однако этот процесс можно значительно упростить. Современная промышленность выпускает модульное штыревое заземление, продаваемое готовым для сборки комплектом.
Его монтаж на большую глубину выполняется относительно просто за счет применения специальных мощных перфораторов.
Штыревое заземление монтируется довольно быстро, но его приобретение обходится дороже.
Обе технологии сборки этих ЗУ у меня расписаны отдельной статьей на блоге. Приглашаю ознакомиться.
Почему заземляющее устройство не всегда работает эффективно и как повысить электрическую безопасность жилого дома
Если анализировать рабочие режимы ЗУ, то здесь обычно проблем не возникает, да и вопрос этот домашнего мастера практически не касается. Поэтому чуть подробнее рассмотрим работу заземления при аварийных ситуациях, когда по ним стекают огромные токи КЗ либо других повреждений.
Нас должно интересовать поведение ЗУ при:
Как заземление защищает здание от удара молнии
В системе молниезащиты здания мощный разряд молнии бьет по молниеприемнику и переходит на молниетвод, а затем стекает через заземляющее устройство на потенциал земли минуя здание.
Все эти три элемента работают последовательно. Причём каждое из них должно надежно передавать огромные мощности энергии, при этом остаться целым, не сгореть. Иначе молния пройдет на дом.
Во всех этих ситуациях на вводе здания окажется импульс перенапряжения порядка 6 кВ. Он может причинить много бед. Поэтому его постепенно снижают в трех зонах здания различными классами модульных УЗИП — устройствами защиты от импульсного перенапряжения.
В ограничении импульса перенапряжения качество монтажа заземления играет далеко не последнюю роль.
Какая роль отведена заземляющему устройству в защитах с УЗО и дифавтоматами
Орган сравнения фаз устройства защитного отключения постоянно вычисляет момент возникновения тока утечки.
Когда потенциал фазы прошел на корпус бытового прибора, подключенного к заземлению, то возникшую утечку сразу же почувствует УЗО и снимет питание с поврежденного оборудования.
Если же корпус изолирован от земли, а на нем присутствует опасный потенциал, то никакой утечки просто не будет — тогда УЗО не сработает. В этой ситуации человек может создать путь тока через свое тело. Только в этом случае защита отключит питание.
Вот таким образом способы подключения УЗО и заземляющего контура влияют на безопасность человека:
Таким образом ЗУ повышает защитные функции модулей, работающих с органом сравнения фаз.
Роль заземления в ограничении высокочастотных помех современных электронных устройств
Компьютеры, микроволновки и другая
бытовая техника с импульсными блоками питания предназначены для надежной работы в трехпроводной схеме с заземляющим РЕ проводником.
Если их подключить к обычной двухпроводной схеме, которая до сих пор распространена в наших старых домах, то относительно их корпуса и земли, например, близкорасположенного водопроводного крана или батареи отопления, можно замерить 110 вольт.
Объясняется это конструкцией фильтров, предназначенных для подавления высокочастотных помех.
Заземляющий контакт их вилки питания через шнур надежно соединен с металлическим корпусом, а последний через конденсаторы фильтра связан с потенциалами рабочего нуля и фазы.
За счет образованного таким образом емкостного делителя на корпусе присутствует половина фазного напряжения сети. Однако в трехпроводной схеме этот потенциал надежно отводится по PE проводнику на контур здания, что обеспечивает безопасность пользования прибором.
Поэтому исключайте такую возможность хотя бы отодвиганием подальше подобной техники от заземленных конструкций.
Чем опасен обрыв нуля в трехфазной схеме TN-C
Это еще один случай, когда электрики энергоснабжающей организации могут доставить большие неприятности своим потребителям. Он характерен не только для сети TN-C, но и TN-C-S.
Более детально этот вопрос раскрыт статьей про формулу электрического напряжения. Нас в этой ситуации может спасти только реле РКН. Без его использования могут погореть холодильники, микроволновки и другая дорогая техника.
Это еще одна веская причина для перехода на современную систему заземления TN-S с более безопасной схемой подключения заземляющего устройства.
Заканчивая статью рекомендую посмотреть видеоролик владельца Алекс Жук «Что такое заземление», где он простыми словами показывает его роль при ликвидации аварийных процессов.
Напоминаю, что сейчас вам удобно прокомментировать статью или задать вопрос для его выяснения.
Заземление. Что это такое и как его сделать (часть 1)
Мой рассказ будет состоять из трёх частей.
1 часть. Заземление
(общая информация, термины и определения)
2 часть. Традиционные способы строительства заземляющих устройств
(описание, расчёт, монтаж)
3 часть. Современные способы строительства заземляющих устройств
(описание, расчёт, монтаж)
В первой части (теория) я опишу терминологию, основные виды заземления (назначение) и предъявляемые к заземлению требования.
Во второй части (практика) будет рассказ про традиционные решения, применяемые при строительстве заземляющих устройств, с перечислением достоинств и недостатков этих решений.
Третья часть (практика) в некотором смысле продолжит вторую. В ней будет содержаться описание новых технологий, используемых при строительстве заземляющих устройств. Как и во второй части, с перечислением достоинств и недостатков этих технологий.
Если читатель обладает теоретическими знаниями и интересуется только практической реализацией — ему лучше пропустить первую часть и начать чтение со второй части.
Если читатель обладает необходимыми знаниями и хочет познакомиться только с новинками — лучше пропустить первые две части и сразу перейти к чтению третьей.
Мой взгляд на описанные методы и решения в какой-то степени однобокий. Прошу читателя понимать, что я не выдвигаю свой материал за всеобъемлющий объективный труд и выражаю в нём свою точку зрения, свой опыт.
Некоторая часть текста является компромиссом между точностью и желанием объяснить “человеческим языком”, поэтому допущены упрощения, могущие “резать слух” технически подкованного читателя.
1 часть. Заземление
В этой части я расскажу о терминологии, об основных видах заземления и о качественных характеристиках заземляющих устройств.
А. Термины и определения
Б. Назначение (виды) заземления
Б1. Рабочее (функциональное) заземление
Б2. Защитное заземление
Б2.1. Заземление в составе внешней молниезащиты
Б2.2. Заземление в составе системы защиты от перенапряжения (УЗИП)
Б2.3. Заземление в составе электросети
В. Качество заземления. Сопротивление заземления.
В1. Факторы, влияющие на качество заземления
В1.1. Площадь контакта заземлителя с грунтом
В1.2. Электрическое сопротивление грунта (удельное)
В2. Существующие нормы сопротивления заземления
В3. Расчёт сопротивления заземления
А. Термины и определения
И попытаюсь “перевести” эти определения на “простой” язык.
Грунт является средой, имеющей свойство “впитывать” в себя электрический ток. Также он являться некоторой “общей” точкой в электросхеме, относительно которой воспринимается сигнал.
Это устройство/ схема, состоящее из заземлителя и заземляющего проводника, соединяющего этот заземлитель с заземляемой частью сети, электроустановки или оборудования. Может быть распределенным, т.е. состоять из нескольких взаимно удаленных заземлителей.
На рисунке оно показано толстыми красными линиями:
Заземлитель — проводящая часть или совокупность соединенных между собой проводящих частей, находящихся в электрическом контакте с грунтом (ПУЭ 1.7.15).
Проводящая часть — это металлический (токопроводящий) элемент/ электрод любого профиля и конструкции (штырь, труба, полоса, пластина, сетка, ведро 🙂 и т.п.), находящийся в грунте и через который в него “стекает” электрический ток от электроустановки.
Конфигурация заземлителя (количество, длина, расположение электродов) зависит от требований, предъявляемых к нему, и способности грунта “впитывать” в себя электрический ток идущий/ “стекающий” от электроустановки через эти электроды.
На рисунке он показан толстыми красными линиями:
Сопротивление заземления — отношение напряжения на заземляющем устройстве к току, стекающему с заземлителя в землю (ПУЭ 1.7.26).
Сопротивление заземления — основной показатель заземляющего устройства, определяющий его способность выполнять свои функции и определяющий его качество в целом.
Сопротивление заземления зависит от площади электрического контакта заземлителя (заземляющих электродов) с грунтом (“стекание” тока) и удельного электрического сопротивления грунта, в котором смонтирован этот заземлитель (“впитывание” тока).
Заземляющий электрод (электрод заземлителя) — проводящая часть, находящаяся в электрическом контакте с локальной землей (ГОСТ Р 50571.21-2000 п. 3.21)
Повторюсь: в качестве проводящей части может выступать металлический (токопроводящий) элемент любого профиля и конструкции (штырь, труба, полоса, пластина, сетка, ведро 🙂 и т.п.), находящийся в грунте и через который в него “стекает” электрический ток от электроустановки.
На рисунке они показаны толстыми красными линиями:
Далее определения, не встречающиеся или не описанные достаточно точно в стандартах и нормах, поэтому имеющие только мое описание.
Контур заземления — “народное” название заземлителя или заземляющего устройства, состоящего из нескольких заземляющих электродов (группы электродов), соединенных друг с другом и смонтированных вокруг объекта по его периметру/ контуру.
На рисунке объект обозначен серым квадратом в центре,
а контур заземления — толстыми красными линиями:
Удельное электрическое сопротивление грунта — параметр, определяющий собой уровень «электропроводности» грунта как проводника, то есть как хорошо будет растекаться в такой среде электрический ток от заземляющего электрода.
Это измеряемая величина, зависящая от состава грунта, размеров и плотности
прилегания друг к другу его частиц, влажности и температуры, концентрации в нем растворимых химических веществ (солей, кислотных и щелочных остатков).
Б. Назначение (виды) заземления
Заземление делится на два основных вида по выполняемой роли — на рабочее (функциональное) и защитное. Также в различных источниках приводятся дополнительные виды, такие как: “инструментальное”, “измерительное”, “контрольное”, “радио”.
Б1. Рабочее (функциональное) заземление
Это заземление точки или точек токоведущих частей электроустановки, выполняемое для обеспечения работы электроустановки (не в целях электробезопасности) (ПУЭ 1.7.30).
Рабочее заземление (электрический контакт с грунтом) используется для нормального функционирования электроустановки или оборудования, т.е. для их работы в ОБЫЧНОМ режиме.
Б2. Защитное заземление
Это заземление, выполняемое в целях электробезопасности (ПУЭ 1.7.29).
Защитное заземление обеспечивает защиту электроустановки и оборудования, а также защиту людей от воздействия опасных напряжений и токов, могущих возникнуть при поломках, неправильной эксплуатации техники (т.е. в АВАРИЙНОМ режиме) и при разрядах молний.
Также защитное заземление используется для защиты аппаратуры от помех при коммутациях в питающей сети и интерфейсных цепях, а также от электромагнитных помех, наведенных от работающего рядом оборудования.
Б2.1. Заземление в составе молниезащиты
Молния — это разряд или другими словами «пробой», возникающий ОТ облака К земле, при накоплении в облаке заряда критической величины (относительно земли). Примерами этого явления в меньших масштабах является “пробой” (wiki) в конденсаторе и газовый разряд (wiki) в лампе.
Воздух — это среда с очень большим сопротивлением (диэлектрик), но разряд преодолевает его, т.к. обладает большой мощностью. Путь разряда проходит по участкам наименьшего сопротивления, таким как капли воды в воздухе и деревья. Этим объясняется корнеобразная структура молнии в воздухе и частое попадание молнии в деревья и здания (они имеют меньшее сопротивление, чем воздух в этом промежутке).
При попадании в крышу здания, молния продолжает свой путь к земле, также выбирая участки с наименьшим сопротивлением: мокрые стены, провода, трубы, электроприборы — таким образом представляя опасность для человека и оборудования, находящихся в этом здании.
Молниезащита предназначена для отвода разряда молнии от защищаемого здания/ объекта. Разряд молнии, идущий по пути наименьшего сопротивления попадает в металлический молниеприёмник над объектом, затем по металлическим молниеотводам, расположенным снаружи объекта (например, на стенах), спускается до грунта, где и расходится в нём (напоминаю: грунт является средой, имеющей свойство “впитывать” в себя электрический ток).
Для того, чтобы сделать молниезащиту «привлекательной» для молнии, а также для исключения распространения молниевых токов от деталей молниезащиты (приёмник и отводы) внутрь объекта, её соединение с грунтом производится через заземлитель, имеющий низкое сопротивление заземления.
Заземление в такой системе является обязательным элементом, т.к. именно оно обеспечивает полный и быстрый переход молниевых токов в грунт, не допуская их распространение по объекту.
Б2.2. Заземление в составе системы защиты от импульсного перенапряжения (УЗИП)
УЗИП предназначено для защиты электронного оборудования от заряда, накопленного на каком-либо участке линии/сети в результате воздействия электромагнитного поля (ЭМП), наведенного от рядом стоящей мощной электроустановки (или высоковольтной линии) или ЭМП, возникшего при близком (до сотен метров) разряде молнии.
Ярким примером этого явления является накопление заряда на медном кабеле домовой сети или на “пробросе” между зданиями во время грозы. В какой-то момент приборы, подключенные к этому кабелю (сетевая карта компьютера или порт коммутатора), не выдерживают «размера» накопившегося заряда и происходит электрический пробой внутри этого прибора, разрушающий его (упрощенно).
Для “стравливания” накопившегося заряда параллельно “нагрузке” на линию перед оборудованием ставит УЗИП.
Классический УЗИП представляет собой газовый разрядник (wiki), рассчитанный на определенный «порог» заряда, который меньше “запаса прочности” защищаемого оборудования. Один из электродов этого разрядника заземляется, а другой — подключается к одному из проводов линии/ кабеля.
При достижении этого порога внутри разрядника возникает разряд 🙂 между электродами. В результате чего накопленный заряд сбрасывается в грунт (через заземление).
Как и в молниезащите — заземление в такой системе является обязательным элементом, т.к. именно оно обеспечивает своевременное и гарантированное возникновение разряда в УЗИПе, не допуская превышение заряда на линии выше безопасного для защищаемого оборудования уровня.
Б2.3. Заземление в составе электросети
Третий пример защитной роли заземления — это обеспечение безопасности человека и электрооборудования при поломках/ авариях.
Проще всего такая поломка описывается замыканием фазного провода электросети на корпус прибора (замыкание в блоке питания или замыкание в водонагревателе через водную среду). Человек, коснувшийся такого прибора, создаст дополнительную электрическую цепь, через которую побежит ток, вызывающий в теле повреждения внутренних органов — прежде всего нервной системы и сердца.
Для устранения таких последствий используется соединение корпусов с заземлителем (для отвода аварийных токов в грунт) и защитные автоматические устройства, за доли секунды отключающие ток при аварийной ситуации.
Например, заземление всех корпусов, шкафов и стоек телекоммуникационного оборудования.
В. Качество заземления. Сопротивление заземления.
Для корректного выполнения заземлением своих функций оно должно иметь определенные параметры/ характеристики. Одним из главных свойств, определяющих качество заземления, является сопротивление растеканию тока (сопротивление заземления), определяющее способность заземлителя (заземляющих электродов) передавать токи, поступающие на него от оборудования в грунт.
Это сопротивление имеет конечные значения и в идеальном случае представляет собой нулевую величину, что означает отсутствие какого-либо сопротивления при пропускании «вредных» токов (это гарантирует их ПОЛНОЕ поглощение грунтом).
В1. Факторы, влияющие на качество заземления
В1.1. Площадь контакта заземлителя с грунтом.
Чем больше будет площадь соприкосновения заземлителя с грунтом, тем больше площадь для перехода тока от этого заземлителя в грунт (тем более благоприятные условия создаются для перехода тока в грунт). Это можно сравнить с поведением автомобильного колеса на повороте. Узкая покрышка имеет небольшую площадь контакта с асфальтом и легко может начать скользить по нему, “отправив” автомобиль в занос. Широкая покрышка, да еще и немного спущенная, имеет много бОльшую площадь контакта с асфальтом, обеспечивая надежное сцепление с ним и, следовательно, надежный контроль за движением.(Пример оказался неграмотным. Спасибо SVlad — комментарий: habrahabr.ru/post/144464/#comment_4854521)
Увеличить площадь контакта заземлителя с грунтом можно либо увеличив количество электродов, соединив их вместе (сложив площади нескольких электродов), либо увеличив размер электродов. При применении вертикальных заземляющих электродов последний способ очень эффективен, если глубинные слои грунта имеют более низкое электрическое сопротивление, чем верхние.
В1.2. Электрическое сопротивление грунта (удельное)
Напомню: это величина, определяющая — как хорошо грунт проводит ток через себя. Чем меньшее сопротивление будет иметь грунт, тем эффективнее/ легче он будет “впитывать” в себя ток от заземлителя.
Примерами грунтов, хорошо проводящих ток, является солончаки или сильно увлажненная глина. Идеальная природная среда для пропускания тока — морская вода.
Примером “плохого” для заземления грунта является сухой песок.
(Если интересно, можно посмотреть таблицу величин удельного сопротивления грунтов, используемых в расчётах заземляющих устройств).
Возвращаясь к первому фактору и способу уменьшения сопротивления заземления в виде увеличения глубины электрода можно сказать, что на практике более чем в 70% случаев грунт на глубине более 5 метров имеет в разы меньшее удельное электрическое сопротивление, чем у поверхности, за счет большей влажности и плотности. Часто встречаются грунтовые воды, которые обеспечивают грунту очень низкое сопротивление. Заземление в таких случаях получается очень качественным и надежным.
В2. Существующие нормы сопротивления заземления
Так как идеала (нулевого сопротивления растеканию) достигнуть невозможно, все электрооборудование и электронные устройства создаются исходя из некоторых нормированных величин сопротивления заземления, например 0.5, 2, 4, 8, 10, 30 и более Ом.
В3. Расчёт сопротивления заземления
Для успешного проектирования заземляющего устройства, имеющего необходимое сопротивление заземления, применяются, как правило, типовые конфигурации заземлителя и базовые формулы для расчётов.
Конфигурация заземлителя обычно выбирается инженером на основании его опыта и возможности её (конфигурации) применения на конкретном объекте.
Выбор формул расчёта зависит от выбранной конфигурации заземлителя.
Сами формулы содержат в себе параметры этой конфигурации (например, количество заземляющих электродов, их длину, толщину) и параметры грунта конкретного объекта, где будет размещаться заземлитель. Например, для одиночного вертикального электрода эта формула будет такой:
Точность расчёта обычно невысока и зависит опять же от грунта — на практике расхождения практических результатов встречается в почти 100% случаев. Это происходит из-за его (грунта) большой неоднородности: он изменяется не только по глубине, но и по площади — образуя трёхмерную структуру. Имеющиеся формулы расчёта параметров заземления с трудом справляются с одномерной неоднородностью грунта, а расчёт в трёхмерной структуре сопряжен с огромными вычислительными мощностями и требует крайне высокую подготовку оператора.
Кроме того, для создания точной карты грунта необходимо произвести большой объем геологических работ (например, для площади 10*10 метров необходимо сделать и проанализировать около 100 шурфов длиной до 10 метров), что вызывает значительное увеличение стоимости проекта и чаще всего не возможно.
В свете вышесказанного почти всегда расчёт является обязательной, но ориентировочной мерой и обычно ведётся по принципу достижения сопротивления заземления “не более, чем”. В формулы подставляются усредненные значения удельного сопротивления грунта, либо их наибольшие величины. Это обеспечивает “запас прочности” и на практике выражается в заведомо более низких (ниже — значит лучше) значениях сопротивления заземления, чем ожидалось при проектировании.
Строительство заземлителей
При строительстве заземлителей чаще всего применяются вертикальные заземляющие электроды. Это связано с тем, что горизонтальные электроды трудно заглубить на большую глубину, а при малой глубине таких электродов — у них очень сильно увеличивается сопротивление заземления (ухудшение основной характеристики) в зимний период из-за замерзания верхнего слоя грунта, приводящее к большому увеличению его удельного электрического сопротивления.
В качества вертикальных электродов почти всегда выбирают стальные трубы, штыри/ стержни, уголки и т.п. стандартную прокатную продукцию, имеющую большую длину (более 1 метра) при сравнительно малых поперечных размерах. Этот выбор связан с возможностью легкого заглубления таких элементов в грунт в отличии, например, от плоского листа.
Подробнее о строительстве — в следующих частях.