Зануление

Способы защиты от опасных потенциалов

Ситуацию с повреждением междуфазной изоляции электрооборудования мгновенно пресекают защитные устройства: автоматические выключатели или предохранители. Но она лишь косвенно представляет опасность для человека.

Опаснее для людей как раз однофазное замыкание, в результате которого корпуса электродвигателей, электрошкафов, кабельных конструкций оказываются под напряжением.

Чтобы исключить риск поражения электротоком, нужно, чтобы при попадании напряжения на корпус произошло гарантированное короткое замыкание и потенциал на корпусе был максимально снижен.

Первое защитное действие достигается созданием цепи между корпусом и заземленной нейтралью электроустановки. При замыкании возникает ток, достаточно большой для срабатывания тех же защитных аппаратов, работающих при междуфазных замыканиях. Это называется защитным отключением.

Для реализации второго метода всем потенциально опасным металлическим частям электрооборудования придают потенциал земли. Делается это преднамеренным их соединением с заземляющим устройством. Мероприятие носит название – защитное заземление.

Системы заземления электроустановок до 1000 В получили в 7-м издании ПУЭ классификацию. Рассмотрим эти системы по очереди.

Система заземления TN-C

В этой конструкции нет ничего нового. Она была такой долгие годы.

Для питания потребителей в ней используется 4 провода. Три из них – фазные, один – нулевой. По последнему протекает рабочий ток нагрузки. Но он же используется и для реализации защитных целей, соединяясь с контуром заземления нейтрали силового трансформатора, питающего электроустановки. К нему же присоединяются и корпуса электрооборудования. Называется он проводником PEN. Из-за того, что в нем сочетаются функции защиты и транспортировки рабочего тока к месту назначения, он получил название «совмещенный проводник».

В итоге реализуются обе задачи: ток замыкания на землю высок – отключение поврежденного участка происходит достаточно быстро. К тому же при повреждении малое сопротивление PEN-проводника шунтирует тело прикоснувшегося к корпусу человека, имеющее сопротивление порядка килоома. Большая часть тока стекает в землю.

Но по PEN-проводнику протекает рабочий ток нагрузки. Контактные соединения от этого могут нарушиться, соединение – стать ненадежными или прерваться вовсе.

Так исчезает столь необходимая связь с заземляющим устройством.

Даже, если имеется повторное заземление PEN-проводника на вводе в здание.

Мало того, наличие тока в этом проводнике приводит к возникновению потенциала, увеличивающегося по мере удаления от точки связи с контуром заземления.

А при обрыве проводника PEN картина и вовсе ужасающая. Потенциал на корпусах за местом обрыва может теоретически достигнуть и 220 В.

Добавим ко всему этому технологически трудную реализацию соединения корпусов некоторых электроприемников с PEN. Как заземлить корпус электроплитки, подключаемой к сети через розетку?

Развитие бытовых электроприборов, требующих применения защитных мер по электробезопасности, привело к усовершенствованию системы TN-C. Подробнее о системе TN-C можно почитать в отдельной статье.

Система заземления TN-S

Отличие от предыдущей рассмотренной системы заземления в том, что функции рабочего-нулевого и защитного проводника разделены в разных физических проводниках. Нулевой рабочий (N) – проводит ток нагрузки, нулевой защитный (РЕ) – подключается к контуру заземления.

В результате происходит полное избавление от потенциала на корпусах, появляющихся в «особо отдаленных районах» электрической сети, а также – при обрывах проводников. Максимум, что грозит при отсутствии целостности проводника РЕ – отсутствие защиты. Но оборваться у него шансов немного – ток-то по нему не протекает, с чего бы вдруг потеряться выполненным по всем электрическим правилам контактным соединениям?

Поскольку сечение РЕ-проводников в составе кабельных линий обычно оказывается равным сечению фазных, упростилась задача присоединить их к корпусам любого электрооборудования.

Даже к заземляющему контакту розетки. Что позволило распространить защитные меры безопасности на все бытовые электроприборы: на ту же электроплитку, в частности.

Правда, в силовые кабельные линии добавилась лишняя жила. Ну что же – за безопасность надо платить.

Все вновь монтируемые электроустановки теперь, как правило, выполняются по этой системе заземления.

Подробнеео системе TN-S можно почитать в отдельной статье.

Почему к РЕ?

Если перемычка между шинами оборвется (этого нельзя исключать ни в коем случае), то при таком способе соединения нулевая рабочая шина потеряет связь с нейтралью электроустановки. При этом возможны тяжелые последствия для электрооборудования – но соединение с защитной шиной не пострадает, люди останутся в безопасности.

К тому же не заметить сей факт обрыва невозможно. Его сразу побегут искать.

При обратной же схеме коммутации обрыв перемычки заметят разве что при плановых измерениях целостности защитной цепи. А за это время люди останутся без защиты – корпуса «повиснут в воздухе». Хорошо бы, если так.

Предоставленная сама себе сеть из соединенных между собой защитных проводников таит не меньшую опасность, чем при обрыве PEN-проводника система TN-C.

Блоки питания бытовой аппаратуры (компьютеров или стиральных машин, к примеру) и полупроводниковые ПРА люминесцентных ламп при отсутствии соединения их корпусов с заземляющим устройством выдают на них потенциал порядка 110 В через конденсаторы входного помехоподавляющего фильтра блока питания. Он распространяется по всей сети, появляясь на прочих металлических частях, соединенных с РЕ-проводником.

Не стоит забывать о том, что эта система унаследовала от TN-C ее главные недостатки: потенциал на PEN-проводнике и опасные напряжения на нем при его обрыве. Главный метод борьбы с ними – собственный контур повторного заземления, вывод от которого присоединяется к шине РЕ вводного щитка.

Но есть и другие системы заземления, использующиеся в частных случаях для защиты людей.

Система заземления IT

А здесь нулевой проводник отсутствует вовсе, так как эта система – с изолированной нейтралью. Подключение нагрузки возможно только на линейные напряжения сети.

Ничего опасного для потребителя при возникновении повреждения одной фазы на корпус не происходит. Ток замыкания на землю ничтожен и не принесет организму особого вреда.

А для ликвидации опасных по величине токов все линии защищают УЗО в обязательном порядке.

Но для фиксации замыканий на землю в таких сетях устанавливаются специальные элементы – реле утечки. При его срабатывании повреждение требуется активно поискать. А при возникновении второго замыкания участок сети с повреждением подлежит немедленному отключению.

Во всем мире используется защита, основанная на соединении нетоковедущих проводящих частей оборудования с землей и заземленной нейтралью источника. В России эта система называется защитное зануление. Защитное действие этой системы основано на принципе достижения нулевого напряжения на корпусе прибора, за счет многократного заземления и соединения нетоковедущих частей с нейтралью источника.

Несмотря на ряд недостатков, зануление продолжает служить основным электрозащитным средством во всем мире. Открытые части установки соединяют отдельным нулевым защитным проводником.

Зануление – соединение металлических частей электрооборудования с нулевым защитным проводом. Зануление служит мерой защиты от случайного попадания под напряжение.

Защитное зануление рассчитано на случай короткого замыкания. Распределение нагрузки на предприятии осуществляется равномерно, нулевой провод исполняет функции защиты. Ноль соединяется с корпусом электродвигателя. Когда происходит короткое замыкание, то возникает напряжение на корпусе электродвигателя.

При этом происходит срабатывание автоматического выключателя. При применении заземляющей шины промышленные электроустановки соединяются.

Принцип действия

Замыкание случается при касании подключенного к напряжению фазного провода на корпус прибора, который соединен с нулем. Возникает большая сила тока, срабатывают аппараты защиты, отключающие питание неисправного прибора.

Время срабатывания защиты и отключения неисправной линии по правилам не должно быть более 0,4 секунды. Для зануления можно применить третью неиспользуемую жилу в кабеле для 1-фазной сети питания.

Фаза и ноль должны быть с небольшой величиной сопротивления. Только тогда аппарат защиты отключит напряжение в установленное время. Чтобы было хорошее зануление необходимо обеспечить качественные контакты соединений.

Защитное зануление дает возможность создать быстрое выключение от сети неисправного питания. Вероятность удара током человека практически исчезает. Зануление считается одним из видов заземления.

Порядок зануления

Зануление для защиты в доме начинается с нейтрали, соединенной с заземленной нейтралью трансформатора.

Нейтраль с 3-фазной линией приходит в здание дома в шкаф ввода. Далее, она разветвляется по щиткам на разных этажах. От нее используется рабочий ноль, образующий 1-фазное напряжение. Ноль имеет название рабочего, так как он применяется для работы.

Зануление для защиты создается отдельным нулем в щитке. Ноль соединен с заземленной нейтралью. Нужно знать, что в схеме соединения ноля с нейтралью не должно быть аппаратов коммутации (рубильников, автоматов).

Как известно в цепях трехфазного переменного напряжения обмотка трансформатора может соединяться в треугольник и в звезду. Рассмотрим звезду. Звезда имеет нулевую точку, или нейтраль. Это та точка, в которой сумма всех трех напряжений сети будет равна нулю.

При такой схеме трансформатора могут быть две возможные схемы. Схема с изолированной нейтралью показана на нашем рисунке. Такая схема обычно используется при работе трехфазных систем, а также однофазных систем, но используется именно изолированная нейтраль.

Также есть еще глухозаземленная нейтраль.

Нейтраль трансформатора соединяется с землей. Эта схема может быть использована не только для работы в трехфазной или однофазной системе, но также для защитного зануления.

Схема состоит из переменного источника напряжения 220 В, его датчика напряжения, нагрузки, сопротивления, которое в нормальном состоянии отключено. Но когда возникает пробой изоляции при выполнении неправильного монтажа, на корпусе появляется напряжение. Измерим напряжение на нагрузке относительно земли. Рассмотрим схему на базе однофазного источника напряжения.

Мы заземляем нулевую точку. Делаем имитацию пробоя изоляции на корпус. На корпусе установилось напряжение, которое будет равно напряжению источника. При таком состоянии если прикоснуться к корпусу, то человека ударит током. Как избежать этой ситуации? Все очень просто. Используют схему защитного зануления, а именно, корпус соединяют с глухозаземленной нейтралью трансформатора. Напряжение на корпусе становится равным нулю.

Почему опасно защитное зануление в квартире

Его используют для защиты людей и животных от поражения электрическим током, а также для срабатывания защитной аппаратуры в случае возникновения утечки тока на землю. Возникает вопрос: если мы используем глухозаземленную нейтраль, то можно соединить точку защитного заземления с нейтралью?

Этого делать нельзя. По правилам это запрещено. Если при выполнении монтажных работ будут перепутаны местами фаза и ноль, а мы поставим перемычку для соединения заземления с нейтралью, получим следующую неприятную ситуацию. При подключении устройства к сети, корпус оказывается под напряжением относительно земли. Как гласит ПУЭ использование нулевого рабочего проводника в качестве защитного зануления категорически запрещено.

Для защитного зануления отводится специальная шина, которая будет соединена с заземляющим устройством или с глухозаземленной нейтралью. Все заземляющие провода подключаются к этой шине параллельно. Поэтому, не нужно ставить перемычки. А перед тем, как реализовывать защитное заземление или зануление нужно ознакомиться с правилами.

Зануление в розетке

Некоторые специалисты делают заземление приборов перемычкой клеммы ноля в розетке на контакт защиты. Такой способ запрещен.

На входе в квартиру устанавливают аппарат, служащий для подключения питания сети. Это может быть пакетный выключатель или автомат. Опасность самодельного заземления с помощью перемычки в том, что корпус устройства, подключенного к этой розетке, в случае повреждения изоляции нуля станет доступным напряжению фазы. А если оборвется провод нуля, то работа прибора прекратится. Возникнет ложная видимость провода, как обесточенного. Это опасно для жизни.

Такая розетка сделает много неприятностей, если в нее запитать стиральную машину. Если отгорит ноль, то стиральная машина может убить человека в случае прикосновения к ней.

Если человек принимает душ из электрического водонагревателя, а в это время нулевой провод в розетке отсоединится, то человека ударит током. Такое зануление очень опасно выполнять в квартире.

Применение зануления

Применяется в электроустановках до 1 кВ в:

• Сетях постоянного тока со средней точкой заземления.
• 1-фазных сетях с заземленным выводом.
• 3-фазных сетях с заземленным нулем.

Защитное зануление служит для защиты от удара током. Если внутри электроприбора повредилась изоляция и корпус прибора оказался под током, то отреагирует защита и отключит сеть питания.

Образование тока КЗ возникает, если произошло замыкание нулевого и фазного провода на зануленный корпус. Для скорейшего отключения устройства применяют автоматы, предохранители, магнитные пускатели с защитой от перегрева, контакторы с реле.

Основные термины и определения

Зануление принято называть защитным, чтобы однозначно отличить среди иных проводников. В электротехнике трёхфазных цепей принято нейтралью называть участок цепи, действующие напряжения на котором относительно внешних обмоток равны. При уравнивании потенциала с землёй ток здесь в нормальном режиме не течёт. Это касается питающей стороны источника (трансформатор подстанции), потребителей (двигатели). Заземлённая нейтраль носит название нулевой точки. Отсюда происходит термин, рассматриваемый топиком.

Способы зануления сильно зависят от обустройства сети. Однофазная или трёхфазная, как проведено заземление. Согласно последнему фактору принято выделять три вида систем. Согласно традиции международным комитетом МЭК они помечаются латинскими буквами:

1. TN;
2. TT;
3. IT.

Система зануления

Интерес представляет вторая буква:

• N подразумевает, что проводящие части установки, не находящиеся в нормальном режиме под током, занулены через защитный (выделенное заземление) или рабочий проводник. В первом случае отрезок провода направленно используется для целей безопасности, во втором – служит для замыкания цепи на грунт (в районе трансформатора), как, допустим, в сети TN-C.
• T – показывает наличие заземления частей установки, в нормальном режиме под током не находящихся, но возможных источников опасности в случае аварии. Отличие от зануления, помеченного литерой N: N считается нейтралью, пропускающую крайне малый ток на землю. Если корпус трёхфазной установки непосредственно завести на контур, скажем, громоотвода, при выносе потенциала ток (и опасность) сильно возрастают.

Для однофазных цепей разность между занулением и заземлением нивелируется в силу очевидных причин. Но! В масштабе жилого дома сохраняется. Многоэтажку рассматривают как трёхфазную электрическую установку. Следовательно, требуется продолжать рассмотрение ситуации, ведь возникает ряд способов организации заземления и зануления. Это видно на практике, когда авторы топиков пытаются объяснить, что такое TN-C, TN-S, TN-C-S.

Что такое TN-C, TN-S и TN-C-S

Буква C означает, что защитный и рабочий проводник объединены. Подобная система хороша для трёхфазного оборудования, а зануление возможно всегда, уберегая от неприятностей. В интернете пишут, мол, отсталая и плохая система, что в корне неправильно. Для трёхфазного оборудования это хорошая и правильная система, зануляя корпус и прочие проводники, мастер заранее разгружает цепи заземления, одной из которых нечаянно способен стать человек. Что снижает закономерно риск несчастных случаев.

Плохи системы TN-C исключительно для импортной техники, по тривиальной причине: входные фильтры бытовой аппаратуры предназначены для работы с отдельными защитными проводниками. Полагается так для защиты сети от помех. Зануление по системе TN-C или TN-C-S решает часть сложностей, но нарушает симметрию фильтров, что негативно сказывается на качестве работы. Импортная аппаратура (львиная доля) рассчитана на работу в TN-S. Главное отличие подхода:

1. Предполагается, что в местной сети нет трёхфазных потребителей. Следовательно, зануление корпуса не несёт особого физического смысла. Оно эквивалентно заземлению.
2. Защитные (дифференциальные) автоматы построены так, что улавливают разницу между токами фазного и нулевого проводника. Следовательно, любая утечка на землю локализуется, питание отключается.

Для адаптации описанной системы на уровне советских TN-C решили доработать старое под TN-C-S. Теперь любая утечка идёт на нейтраль посредством контура громоотвода, но автомат дифференциальной защиты ставится в цепи рабочего нулевого проводника. Авария неизменно замечается. Дополнительным плюсом использования системы TN-C-S становится возможность включения в цепь трёхфазных потребителей (двигатели лифтов, например) по старой испытанной схеме. Главный минус уже назван: нарушение правильного режима работы входных фильтров импортной аппаратуры.

Единственное различие TN-S и TN-C-S: в районе громоотвода защитный нулевой провод (заземление) объединён с рабочим (приходящим от подстанции). Если хочется перейти полностью на европейский стандарт, требуется просто исправить указанный момент. Провод от подстанции к местному контуру заземления, закопанному в районе подвала, не подключать. Способна нарушиться работа трёхфазного оборудования, в том плане, что становится потенциально реализуемой опасная для человека ситуация выхода напряжения на корпус. Работа электроустановки при этом (с высокой вероятностью) не нарушается. Следовательно, авария останется незамеченной, пока установки не коснется человек с вытекающими отсюда последствиями.

Системы заземления и зануление

Буква T, стоящая на первом месте, означает, что рабочий проводник заземлён, I – что изолирован от грунта. Последнее часто применяется, к примеру, в системах сверхнизкого безопасного напряжения. Такие используются (по ГОСТ Р 50571.11) в ванных комнатах и прочих сходных по назначению помещениях. Речь идёт сейчас о разделительном трансформаторе, ни одна точка вторичной обмотки прибора не заземляется (в противном случае теряется смысл использования указанной меры защиты).

Несложно понять, что для решения практических задач требуется изучить теорию. Это видно на приведённом примере с ванной комнатой. У электриков имеются типичные ошибки, но в контексте обзора рассматриваются системы заземления, тесно связанные с занулением. Системы с изолированной нейтралью IT некогда считались доминирующими в Европе. Зануление в этом случае не применяется. Либо на стороне источника, не имея отношения к потребителю.

Потребность в заземлении возникла в десятилетия, когда активно развивались радиовещание и телевидение. Оказалось, что без соединения экрана с грунтом часть волн проходит сквозь щит. А это помехи и большие потери энергии. Следовательно, приборы на стороне потребителя стали нуждаться в заземлении (и занулении). Помимо прочего, когда радиоволна (включая частоты сети 50 Гц) выходит в эфир, человек, подвергшийся её влиянию, получает урон здоровью.

Различие между системами

Местное заземление (глухозаземленная нейтраль) возможно лишь, когда нагрузка по фазам симметрична. Тогда на грунт идёт лишь малый ток. В случае многоэтажек о симметрии нет речи, соседи не станут договариваться о совместном включении первых приборов и выключении вторых. Слишком дорого замыкать контур питающего трансформатора через почву. Это привело бы к потенциально опасным ситуациям (см. шаговое напряжение), увеличив потери на порядки. В результате возникает необходимость в нейтрали: типичный случай, когда по столбу идут 4 провода, лишь три — фазные.

Особое внимание обращается на зануление микроволновых печей. Для осуществления этой меры в домах с системами TN-C (подавляющее число домов, построенных в СССР) следует на боковой лепесток розетки выводить нейтраль. Чтобы правильно выполнить операции, рекомендуется использовать индикаторные отвёртки. Дома, отстроенные в предыдущую эпоху, дооборудуются ветками заземления. И система превращается в TN-C-S. Нередко люди не понимают смысла этой меры и оттого встречаются неправильные трактовки. Вкратце: нейтраль трёхфазной сети на входе в здание объединяется электрически с закопанным в грунт контуром громоотвода. Отсюда и начинается местная ветка заземления, разведённая по квартирам.

В топике про защитное заземление обсуждалось, чем от упомянутой меры отличается зануление (необходимое постоянно). Нейтраль электрически объединена со всеми фазами, здесь циркулируют токи возврата. На грунт уходит лишь часть, причём при дисбалансе. Заземление без зануления опасно. Этим объясняется наличие системы TN-C-S в противовес TN-S. В последней защитный и рабочий нулевые проводники разделены по всей длине. Если не предполагается использовать трёхфазные установки, хорошо, в противном случае случится уже рассказанное (см. защитное заземление).

Во избежание присутствия опасного потенциала на корпусе оборудования в районе громоотвода требуется объединение с нейтралью. Металлические части, за которые гипотетически может взяться человек, заземлены накоротко: преимущественно трубы. Наличие защитного проводника, объединённого с нейтралью в районе громоотвода или местного отдельного контура, вкопанного в землю (вместо прямого заземления) уменьшает ток в указанной ветке и дополнительно предохраняет человека, если по неизвестной причине не сработают автоматы защиты.

Что требуется занулять, и что занулять нельзя

В бытовых целях не рекомендуется занулять все, что раньше заземлялось через трубы: чугунные ванны, металлические раковины, смесители. Известна история Задорнова, как душ бился током при включённом телевизоре. Некий умник решил при выполненном занулении корпуса ещё и заземлить. Допустим, трубы заведены на нейтраль. При включении прибора ток поделится между рабочим нулевым проводником и заземлёнными трубами. Часть тока прошла через Задорнова, подведённая струёй воды.

Одновременное зануление и заземление эффективно исключительно для трёхфазных цепей. Причём при симметричной нагрузке по каждому плечу. Что касается уравнивания потенциалов всех металлических предметов на кухне, в ванной, уборной, лучше для этих целей применять заземление. В случае металлических труб достаточно указанные предметы соединить медным проводом. Нейтраль сюда заводить не нужно в связи с описанными особенностями работы однофазной цепи.

Упомянем о случае зануления корпуса микроволновой печи. Большого потенциала в рабочем режиме здесь не предвидится, как в случае со стиральной машиной. По ГОСТ Р 50571.11 одной из мер защиты выбирается дифференциальный автомат. При ударе током оборудование окажется выключенным. Параметры дифференциального автомата защиты заранее рассчитаны так, чтобы не случилось вреда. ГОСТ оговаривает минимальный ток срабатывания и прочие физические величины.

Нелишне напомнить, что через трубы и прочие коммуникации ничего занулять или заземлять нельзя. Но указанные конструкции допустимо защищать. На производстве это требование обязательное, для предотвращения описанных выше случаев ставят автоматы, отключающие сеть в случае неисправности.