Как работает заземление

Из чего делать металлосвязь

Металлосвязь, т.е. соединение вбитых в землю электродов между собой выполняется при помощи следующих материалов:

1. Медный провод или шина, площадь сечения — 10 кв. мм и больше.
2. Стальная шина, сечением — 48 кв. мм.
3. Алюминиевый провод или полоса, площадь сечения более 16 кв. мм.

Для таких целей предпочтительна полоса из стали 25-30х5 мм. Соединение такой полосы с электродами производится с помощью электросварки, что обеспечивает надёжность соединения. При использовании алюминиевых или медных проводников, присоединение производится при помощи болтового соединения.

Расположение штырей устройства заземления

Наиболее распространенные ошибки

При создании контура следует избежать ряда ошибок:

Если решено обратиться к электромонтажникам, необходимо особое внимание уделить качеству материалов, которые рабочие собираются использовать. Некоторые подрядчики стремятся удешевить свои услуги путем экономии на электродах, устанавливая проводники с небольшой проводимостью (к примеру, заржавевшую арматуру)

Некачественные материалы значительно снижают эффективность защиты или даже делают затею вовсе бессмысленной.
Устройство заземления находится на слишком большом расстоянии от дома.
Установка контура в сухом месте. Вода улучшает проводимость — чтобы система работала эффективно, она должна находиться во влажном месте. Если такое место отсутствует, придется задуматься об искусственном увлажнении.
Объединение заземлительного контура с молниезащитой. Если в распредщите не вмонтировано устройство УЗИП, размыкающее цепь в виде ответной реакции на сверхзаряд, значительный ток из молниеприемника выведет из строя электрическое оборудование.

Контур заземления — важнейшая мера, обеспечивающая безопасность пользования электрическими приборами в частном доме. Если решено выполнить все работы своими руками, необходимо аккуратно придерживаться всех технических правил и рекомендаций, в том числе по технике безопасности. Если уверенности в своих силах недостаточно, лучше обратиться за помощью к специалистам.

Почему бьёт током

Чтобы разобраться для чего нужно заземление, для начала разберёмся в каких случаях и почему нас бьет током. Главное, что нужно для протекания электрического тока – это разность потенциалов. Это значит, что если вы стоите на полу и возьметесь за оголенный провод или другую токоведущую часть руками – то ток через ваше тело и пол стечёт в землю. Переменный ток силой всего в 50 мА уже является опасным для человека. А если вы обеими руками возьметесь за токоведущую часть и повисните на ней не касаясь земли, то скорее всего ничего не произойдёт, проверять это, конечно не стоит.

Наибольшее сопротивление заземляющих устройств опор ВЛ.

Поэтому птиц не бьет током на проводах. Но вернёмся к разговору о заземлении. Как мы уже сказали, корпуса электроприборов заземляют. Для чего это нужно? Проводка и другие узлы оборудования, такие как электродвигатели, ТЭНы и прочее в нормальном состоянии не имеют контактов фазы с корпусом прибора, металлорукавом или бронёй кабеля. Но в случае неполадок фаза может оказаться на корпусе. Это может произойти при повреждении изоляции обмоток двигателей и трансформаторов, пробоя диэлектрического слоя ТЭНов, повреждения изоляции соединительных проводов внутри прибора и кабельных линий.

Глубина заземления.

В результате на корпусе окажется опасный потенциал, простым языком: корпус окажется “под фазой”. Когда вы коснетесь его стоя босиком на плитке, бетонном и даже деревянном полу – вас ударит током. В худшем случае, это может привести к смерти. Чаще всего такая ситуация возникает в результате частичного выхода из строя ТЭНов стиральных машин, водонагревательных баков, проточных нагревателей. А особенно ярко такое ощущается при одновременном касании стиральной машины и водопроводных и отопительных труб, или в случае с водонагревательным баком, когда вы принимаете душ или ванную вас, бьёт током. Последняя проблема решается организацией системы уравнивания потенциалов (заземлением ванны и других металлических частей водопровода).

Если корпус поврежденного прибора заземлён – опасное напряжение стечет на землю и (или) сработает защитный прибор – устройство защитного отключения (УЗО) или автоматический выключатель дифференциального тока (дифавтомат).

Если корпус занулён – сработает обычный автомат, так как это будет коротким замыканием на корпус (ноль в данном случае). Дифавтоматы и УЗО определяют утечку тока путём сравнения токов фазного и нулевого провода – если ток в фазе больше чем в нуле, значит ток втекает в землю, через заземляющий провод или через тело человека. Такие приборы срабатывают при дифференциальном токе (разнице токов) обычно в 10 мА и более.

Будет интересно Фантомное питание для микрофона: схема подключения

Внешняя молниезащита

Внешняя молниезащита ZANDZ (пр. Россия ) — это долговечные, надёжные и эстетичные элементы для организации эффективной системы внешней молниезащиты на объектах различного назначения.

В номенклатуре представлены стержневые молниеприёмники, держатели и зажимы к ним, выполненные из нержавеющей стали. Эти элементы предназначены для монтажа непосредственно на защищаемом объекте. Так же мы предлагаем отдельностоящие молниеприёмники различной высоты (до 54 м), выполненные из оцинкованной стали. Этот тип молниеприёмников позволяет обеспечить наиболее надёжную защиту различных промышленных объектов.

Рабочее заземление

Предназначено для обеспечения нормальной работы оборудования во всех режимах работы. Это относится и к аварийным ситуациям.

Рабочее или функциональное заземление — это заземление точки или точек токоведущих частей оборудования, предназначенное для обеспечения работоспособности электрооборудования, не в целях электробезопасности.

На рисунке снизу показана схема из учебника рабочего заземления для различных сетей.

Функциональным назначением данной опции является поддержание работоспособности оборудования и защитных аппаратов в штатном и аварийном режимах. Зачастую она используется для срабатывания специальных устройств.

Это могут быть плавкие предохранители, резисторы и т.п. Основным назначениям функции является препятствие сбоям, их локализации и препятствие их распространению.

Правила техники безопасности запрещают совмещать защитное и рабочее заземление. Что связано с тем, что электрические атмосферные помехи, например, от грозозащиты зданий и сооружений, могут совместиться с токами сети.

Это может привести к сбоям оборудования, например, компьютеров, сложной электронной техники и т.п. А так же к выходу оборудования из строя.

Кроме этого, такое совмещение сделает защиту от напряжения не эффективной. А в аварийной ситуации она вообще перестанет функционировать.

В качестве заземлителей применяют металлические стержни. Их должно быть не менее двух, и расстояние между ними составляет 1 м.

При этом необходимо соблюдать следующие правила, определяемые по ПУЭ:

1. В качестве рабочего заземления запрещается использовать трубопроводы в любой ситуации.
2. Запрещается выводить кабель наружу и подключать к шине в месте неподготовленном для этого. Так как плохой контакт не обеспечит надежной защиты, а в процессе эксплуатации он ухудшится из-за коррозии металла.
3. Последовательное подключение оборудование к шине заземления категорически запрещается.
4. Запрещено к одной контактной площадке на шине заземления подсоединять несколько кабелей от оборудования.

На вышеприведенном рисунке показан пример металлосвязи с электрооборудованием.

Что такое заземление, принцип действия и устройство

При создании электросети, в помещениях различного назначения, требуется создание защиты, которая предотвратит вероятное поражение током. Чтобы избежать этого выполняется устройство заземления. В соответствии с ПЭУ п.1.7.53 заземление выполняется в электрооборудовании с напряжением более 50 В переменного и 120 В постоянного тока.

Шина заземления от ГРЩ к потребителю

Заземление – намеренное соединение нетоковедущих металлических частей электроустановок (которые могут оказаться под напряжением) с землей или ее эквивалентом. Данная защитная мера предназначена для исключения вероятности поражения человека электротоком при замыкании на корпус оборудования.

Принцип действия

Принцип работы защитного заземления заключается в:

• снижении разности потенциалов, между заземляемым элементом и другими токопроводящими предметами с естественным заземлением, до безопасного значения;
• отвод тока в случае непосредственного контакта заземляемого оборудования с фазным проводом. В грамотно спроектированной электросети возникновение тока утечки вызывает мгновенное срабатывание устройства защитного отключения (УЗО).

Схемы заземления в трехфазных сетях

Из вышесказанного следует, что заземление имеет большую эффективность при использовании в комплексе с УЗО.

Устройство заземления

Конструкция системы заземления состоит из заземлителя (проводящая часть, которая имеет непосредственный контакт с землей) и проводника, обеспечивающего контакт между заземлителем и нетоковедущими элементами электрооборудования. Обычно в качестве заземлителя используется стальной или медный (очень редко) стержень, в промышленности это как правило, сложная система, состоящая из нескольких элементов специальной формы.

Эффективность системы заземления во многом определяется величиной сопротивления защитного устройства, которую можно уменьшить, повышая полезную площадь заземлителей или увеличивая проводимость среды, для чего задействуется несколько стержней, повышается уровень солей в земле и т.п.

Заземляющее устройство это…

Выше мы рассмотрели в общих чертах, что такое защитное заземление. Однако стоит упомянуть, что используемые в системе заземлители различаются на естественные и искусственные.

В качестве устройств заземления в первую очередь предпочтительнее использовать такие естественные заземлители, как:

• трубы водоснабжения, находящиеся в грунте;
• металлоконструкции зданий и сооружений, имеющие надежный контакт с землей;
• обсадные трубы артезианских скважин;
• металлические оболочки кабелей (исключение составляет алюминий).

Вариант использования трубы в качестве естественного заземлителя

Естественные заземлители должны иметь соединение с защитной системой из двух и более разных точек.

В роли искусственного заземлителя может использоваться:

• стальная труба с толщиной стенок 3,5 мм и диаметром 30÷50 мм и длиной порядка 2÷3 м;
• стальные полосы и уголки толщиной от 4 мм;
• стальные пруты длиной до 10 и более метров и диаметром от 10 мм.

Использование металлических полос в качестве искусственного заземлителя

Для агрессивных почв необходимо использование искусственных заземлителей с высокой устойчивостью к коррозии и изготовленных из меди, оцинкованного или омедненного металла. Итак, мы разобрались с тем, что является определением понятия искусственного и естественного заземлителя, теперь же рассмотрим, когда применяется заземление.

Предлагаемое видео наглядно объясняет, что такое защитное заземление:

Требования ПУЭ к главной шине заземления

Правила устройства электроустановок в пункте 1.7.119 определяют основные требования по установке главной заземляющей шины, для сетей до 1 кВт. Она в большинстве случаев размещается в шкафах распределительных устройств, при большом количестве заземляющих проводников используется отдельный шкаф.

Для схем заземления типа TN-С в распределительных устройствах разрешается использовать шину РЕ как ГШЗ, сечение которой не должно быть меньше проводов заземления которые к ней подсоединяются. Для главной шины заземления применяют  медь, в крайнем случае, устанавливают сталь, грубейшей ошибкой является использование алюминиевых полос. Это категорически запрещается по причине разности сопротивления на контактах из различных металлов. Такие контакты греются, проводимость снижается, при больших токовых нагрузках болтовые соединения могут полностью выгореть.

Соединения осуществляются разборные с помощью специальных инструментов, чаще всего это болтовые крепления с шайбами и гайками. Концы проводов опрессовываются медными наконечниками с отверстиями под болты и завинчиваются на шину. На стене возле шины или выделенном для нее отдельном шкафу наносится символический знак.

Пункт 1.7.120 определяет, что для помещений имеющих два и более отдельных ввода, каждый шкаф РУ оборудуется отдельной шиной заземления. На трансформаторных подстанциях устанавливается собственная шина с заземляющим контуром, РЕN проводник от которых уходит на ГШЗ ВРУ (вводное распределительное устройство) помещений с электроустановками. Заземляющие шины на разных РУ для выравнивания потенциалов должны соединятся проводом. Сечение проводника не должно быть меньше ½ большего провода, который приходит на одну из ГШЗ в ВРУ с трансформаторной подстанции.

Для соединения нескольких шин от разных ВРУ допускается использование металлоконструкций различного назначения если они неразборные имеют непрерывный электрический контакт. При этом надо учитывать требования пункта 1.7.123, который запрещает применять в качестве РЕN проводника:

• трубы газораспределительных систем;
• трубопроводы с горючими материалами;
• конструкции систем отопления, водоснабжения и канализации;
• свинцовые и металлические оболочки бронированных кабелей;
• трос несущий кабель для электрической проводки.

Обратите внимание на часто допускаемую ошибку, заземлять эти конструкции на главную шину заземления можно и даже нужно, пункт 1.7.20. Но делать прямые соединения шин, на разных шкафах используя перечисленные конструкции, пункт 1.7.123 запрещает. С первого взгляда заземление троса и трубопровода на ГШЗ ВРУ обеспечит их прямое соединение, но при ремонте или демонтаже этих систем цепь будет разорвана

С первого взгляда заземление троса и трубопровода на ГШЗ ВРУ обеспечит их прямое соединение, но при ремонте или демонтаже этих систем цепь будет разорвана.

Поэтому используются только неразборные токопроводящие конструкции, надежнее всего провести многожильный медный провод с желто-зеленой изоляцией, соответствующей обозначению заземляющего РЕN проводника. В этом случае соединение обеспечивающее распределение потенциала растекания, будет автономное не зависящее от других систем.

Из чего состоит заземление

1. Внешний контур заземления. Располагается за пределами помещений, непосредственно в грунте. Представляет собой пространственную конструкцию из электродов (заземлителей), соединенных между собой неразделимым проводником.
2. Внутренний контур заземления. Токопроводящая шина, размещенная внутри здания. Охватывает периметр каждого помещения. К этому устройству подсоединяются все электроустановки. Вместо внутреннего контура может быть установлен щиток заземления.
3. Заземляющие проводники. Соединительные линии, предназначенные для подключения электроустановок непосредственно к заземлителю, или внутреннему контуру заземления.

Рассмотри эти компоненты подробнее.

Внешний, или наружный контур

Монтаж контура заземления зависит от внешних условий. Прежде чем начать расчет, и выполнить проектный чертеж, необходимо знать параметры грунта, в котором будут установлены заземлители. Если вы сами строили дом, эти характеристики известны. В противном случае лучше вызвать геодезистов, для получения заключения по грунту.

Какие бывают грунты, и как они влияют на качество заземления? Примерное удельное сопротивление каждого типа грунта. Чем оно ниже, тем лучше проводимость.

• Глина пластичная, торф = 20–30 Ωм·м
• Суглинок пластичный, зольные грунты, пепел, классическая садовая земля = 30–40 Ом·м
• Чернозем, глинистые сланцы, полутвердая глина = 50–60 Ом·м

Это лучшая среда для того, чтобы установить наружный контур заземления. Сопротивление растекания тока будет достаточно низким даже при малом содержании влаги. А в этих грунтах естественная влажность обычно выше среднего.

Полутвердый суглинок, смесь глины и песка, влажная супесь — 100–150 Ом·м

Сопротивление немного выше, но при нормальной влажности параметры заземления не выйдут за нормативы. Если в регионе установки установится продолжительная сухая погода, необходимо принимать меры к принудительному увлажнению мест установки заземлителей.

Глинистый гравий, супесок, влажный (постоянно) песок = 300–500 Ом·м

Гравий, скала, сухой песок – даже при высокой общей влажности, заземление в такой почве будет неэффективным. Для соблюдения нормативов, придется устанавливать глубинные заземлители.

Многие владельцы объектов, экономя «на спичках», просто не понимают, для чего нужен контур заземления. Его задача при соединении фазы с землей обеспечить максимальную величину тока короткого замыкания. Только в этом случае быстро сработают устройства защитного отключения. Этого невозможно достичь, если сопротивление растекания тока будет высоким.

Определившись с грунтом, вы сможете выбрать тип, и самое главное — размер заземлителей. Предварительный расчет параметров можно выполнить по формуле:

Расчет приведен для вертикально установленных заземлителей.

Расшифровка величин формулы:

• R0 — полученное после вычисления сопротивление одного заземлителя (электрода) в омах.
• Рэкв — удельное сопротивление грунта, см. информацию выше.
• L — общая длина каждого электрода в контуре.
• d — диаметр электрода (если сечение круглое).
• Т — вычисленное расстояние от центра электрода до поверхности земли.

Задавая известные данные, а также меняя соотношение величин, вы должны добиться значения для одного электрода порядка 30 Ом.

Если установка вертикальных заземлителей невозможна (по причине качества грунта), можно рассчитать величину сопротивления горизонтальных заземлителей.

Поэтому лучше потратить больше времени на забивание вертикальных стержней, чем следить за барометром и влажностью воздуха.

И все же приводим формулу расчета горизонтальных заземлителей.

Соответственно, расшифровка дополнительных величин:

• Rв — полученное после вычисления сопротивление одного заземлителя (электрода) в омах.
• b — ширина электрода — заземлителя.
• ψ — коэффициент, зависящий от погодного сезона. Данные можно взять в таблице:

ɳГ — так называемый коэффициент спроса горизонтально расположенных электродов. Не вдаваясь в подробности, получаем цифры из таблицы на иллюстрации:

Предварительный расчет сопротивления необходим не только для правильного планирования закупок материала: хотя будет обидно, если вам не хватит для завершения работ, пары метров электрода, а до магазина несколько десятков километров. Более-менее аккуратно оформленный план, расчеты и чертежи, пригодятся для решения бюрократических вопросов: при подписании документов о приемке объекта, или составлении ТУ с компанией энергосбыта.

Разумеется, никакой инженер не подпишет бумаги только на основании пусть и красиво исполненных чертежей. Будут произведены замеры сопротивления растекания.

Далее расскажем о том, как добиться правильных характеристик внешнего контура заземления.

Что называется защитным заземлением

Название говорит само за себя – устройство, которое защищает человека посредством земли. То есть электрическое оборудование соединяется с заземляющим устройством.

Заземляющее устройство складывается из двух элементов:

• заземлителя – часть или группа связанных между собой частей, через которые проходит ток и находящихся в контакте с землей самостоятельно или через промежуточную среду (металлический предмет, электрод, уголок, труба);
• заземляющего проводника – он соединяет заземляемый фрагмент и заземлитель.

Защитное заземление бывает двух видов: искусственное и естественное.

К искусственным относят стержни, трубы, уголки, сделанные из стали, длинна их должна достигать 2,5 метров. Эти устройства необходимо соединить между собой приваренной проволокой или металлическими полосами и заколотить в грунт. Этот вид заземления делается целенаправленно.

Естественное заземление – конструкция, всегда находящаяся в земле. Регулирование таких заземлений не происходит и не предъявляется никаких предписаний, поэтому они не подойдут для мощных электроустановок.

Эффективность заземления зависит от его сопротивления. Низкое напряжение на электрооборудовании является показателем качества, то есть чем меньше, тем лучше. Есть несколько способов снижения напряжения:

• путем расширения площади заземлителя;
• прогревание почвы;
• углубление заземляющего устройства;
• увеличение количества конструкций;
• поднятие концентрации солей в почве.

Схема заземления

Виды

Чтобы сопротивление было минимальным, желательно сократить длину защитного проводника. Это обеспечивают с помощью создания заземляющего контура по периметру объекта.

Выносные системы применяют при оснащении установок, которые работают с питающим напряжением до 1 000 V.

Заземлители разделяют также на искусственные и естественные. Это распределение по группам условно, так как в обоих случаях используются металлические части конструкций, находящиеся в земле:

• В первом – их создают специально, для системы заземления. Такой подход позволяет точно рассчитать сопротивление, размеры отдельных частей, иные важные параметры.

Естественный заземлитель – металлическая часть конструкции, находящейся в земле

Второй вариант предусматривает подсоединение к металлическим частям конструкции здания, арматуре фундаментных блоков.

Он экономичнее, так как для защиты применяются некоторые готовые детали. Однако надо учитывать, что для подключения оборудования понадобится прокладка соответствующих линий, которые будут иметь определенное нормативами сопротивление. Недостатком является относительная доступность обычному персоналу.

Для заземления используют проводники из меди, черной и оцинкованной стали. Сечения и другие характеристики изделий подбираются с учетом электрических параметров установки и условий ее эксплуатации.

В частности, имеет значение уровень влажности.  При расчете проверяют удельное сопротивление и другие особенности грунтов.

Грунты, в которых устанавливают устройства заземления

Внешний контур

• Сначала надо выбрать место, где будет располагаться внешняя часть контура. Оптимальное расстояние между такими местами и домом равно 1 метру.
• Возможность нахождения людей рядом с контуром необходимо исключить полностью.
• Лучше выбирать территорию под статичными элементами интерьера.
• Песочные грунты могут стать источником дополнительной проблемы.
• После подбора подходящей территории можно приступать к земляным работам. Требуется подготовить траншею треугольной формы. Допустимый размер сторон – 1,2 метра. Глубина – от 50 до 70 сантиметров.
• Металлические элементы контура просто вбиваются внутрь траншеи, при помощи подготовленного заранее комплекта.
• Верхние концы потом соединяются с использованием сварочного оборудования.

Когда все этапы выполнены, переходят к засыпке траншей. В этот момент считается, что наружные работы пришли к заключительному этапу.

Выводы: Правила заземления

Радикальные методы решения проблем заземления:

1. Используйте модули ввода.вывода только с гальванической развязкой
2. Не применяйте длинных проводов от аналоговых датчиков
3. Располагайте модули ввода в непосредственной близости к датчику, а сигнал передавайте в цифровой форме
4. Используйте датчики с цифровым интерфейсом
5. На открытой местности и при больших дистанциях используйте оптический кабель вместо медного
6. Используйте только дифференциальные (не одиночные) входы модулей аналогового ввода

Еще советы:

1. Используйте в пределах вашей системы автоматизации отдельную землю из медной шины, соединив её с шиной защитного заземления здания только в одной точке
2. Аналоговую, цифровую и силовую землю системы соединяйте только в одной точке. Если этого сделать невозможно, используйте медную шину с большой площадью поперечного сечения для уменьшения сопротивления между разными точками подключения земель
3. Следите, чтобы при монтаже системы заземления случайно не образовался замкнутый контур
4. Не используйте по возможности землю как уровень отсчёта напряжения при передаче сигнала
5. Если провод заземления не может быть коротким или если по конструктивным соображениям необходимо заземлить две части гальванически связанной системы в разных точках, то эти системы нужно разделить с помощью гальванической развязки
6. Цепи, изолированные гальванически, нужно заземлять, чтобы избежать накопления статических зарядов
7. Экспериментируйте и пользуйтесь приборами для оценки качества заземления. Допущенные ошибки не видны сразу
8. Пытайтесь идентифицировать источник и приёмник помех, затем нарисуйте эквивалентную схему цепи передачи помехи с учётом паразитных ёмкостей и индуктивностей
9. Пытайтесь выделить самую мощную помеху и в первую очередь защищайтесь от неё
10. Цепи с существенно различающейся мощностью следует заземлять группами, в каждой группе – блоки с примерно равной мощностью
11. Заземляющие проводники с большим током должны проходить отдельно от чувствительных проводников с малым измерительным сигналом
12. Провод заземления должен быть по возможности прямым и коротким
13. Не делайте полосу пропускания приёмника сигнала шире, чем это надо из соображений точности измерений
14. Используйте экранированные кабели, экран заземляйте в одной точке со стороны источника сигнала на частотах ниже 1 МГц и в нескольких точках – на более высоких частотах
15. Для особо чувствительных измерений используйте «плавающий» батарейный источник питания
16. Самая «грязная» земля – от сетевого блока питания. Не совмещайте её с аналоговой землёй.
17. Экраны должны быть изолированными, чтобы не появилось случайных замкнутых контуров, а также электрического контакта между экраном и землёй