Какую функцию выполняет заземление: для чего оно предназначено что собой представляет заземляющее устройство

Каждому пользователю электрооборудования необходимо знать, для чего нужно заземление и как оно устроено. Это станет стимулом к регулярной проверке работоспособности данной системы и обеспечению защиты от удара током. В многоквартирных домах без заземления следует применять другие меры безопасности.

Причины, по которым бьет током

В большинстве случаев причиной электротравмы является замыкание фазы на металлический корпус прибора. Это происходит из-за разрушения изоляции на проводах вследствие старения или перегрева. Коснувшийся корпуса человек попадает под напряжение и получает удар током.

Особенно опасны приборы, работающие с водой: бойлеры, стиральные и посудомоечные машины, пр. Влага хорошо проводит электричество.

Если она вступает в контакт с токоведущим элементом, например спиралью ТЭНа при разгерметизации его трубки, то под напряжение попадают не только корпус, но и коммуникации вместе с текущей по ним водой.

Общее понятие заземления

Под заземлением (Pe от protection earth) понимают преднамеренное подключение электроустановок или их частей к проводнику, заглубленному в грунт. Чтобы система выполняла свои функции, она должна иметь низкое сопротивление.

Предназначение

Грунт способен впитывать электрический заряд подобно конденсатору с бесконечной емкостью. Это свойство используют для решения ряда задач.

Заземление обеспечивает наличие электрического контакта между электроустановкой и грунтом.

Области применения

По способу использования заземление делится на 2 вида:

1. Рабочее. Выступая в роли нейтрали, обеспечивает функционирование мощных электроустановок – трансформаторов, генераторов, разрядников, дугогасителей и пр. Также к этому типу относят Pe-контуры молниеотводов и устройств защиты от импульсных перенапряжений.
2. Защитное. Предохраняет пользователей от удара током.

Вторая разновидность вступает в действие в аварийных ситуациях, когда фаза замыкается на нетоковедущие металлические части электроустановки. Далее речь пойдет только об этом типе заземления.

Принцип работы

Человека, прикоснувшегося к корпусу под напряжением, и систему заземления схематически можно представить как 2 параллельные ветви, подключенные к точке с высоким потенциалом. Из законов Ома и Кирхгофа вытекает следующее соотношение протекающих в них токов и сопротивлений:

I1/I2=R2/R1.

Говоря простыми словами, электрический заряд течет по пути наименьшего сопротивления. Чем ниже резистивность контура Pe, тем слабее ток в теле человека.

Максимально допустимые значения сопротивления для защитного заземления установлены ПУЭ:

Потребитель	Резистивность, Ом
Домашняя электросеть с суммарной мощностью одновременно работающих приборов до 100 кВА	10
То же свыше 100 кВА	4
Телекоммуникационные системы	2
Серверное оборудование	1

Основные виды заземления

Конструкция, обеспечивающая контакт с грунтом, может иметь разное назначение. В зависимости от этого заземление делят на 2 вида.

Естественное

Такие системы используют в качестве Pe-контура уже существующие металлоконструкции, врытые в грунт.

Примеры:

• части зданий и сооружений, арматуры их фундаментов;
• трубопроводы, кроме транспортирующих горючие и взрывоопасные вещества;
• обсадные колонны скважин;
• свинцовые оболочки кабелей;
• рельсовые пути неэлектрифицированных железных дорог.

Естественное заземление предпочтительно, т.к. позволяет снизить затраты на устройство системы.

Искусственное

В такой системе используют Pe-контур, специально изготовленный для сброса заряда в грунт. К этому варианту прибегают в ситуациях, когда естественное заземление отсутствует или у него высокое сопротивление растеканию тока.

Устройство контура заземления

В состав системы входят такие компоненты:

1. Главная Pe-шина. Находится в распределительном щите внутри здания. К ней подключены кабели от розеток и электроприборов.
2. Электрод-заземлитель. Так называется заглубленная в грунт конструкция.
3. Проводник, связывающий оба вышеописанных компонента. В этом качестве используют стальную полосу толщиной до 5 мм или кабель.

В производственных зданиях в качестве общей шины часто используют контур, проложенный внутри помещений по периметру.

Заземляющий электрод

Самый простой электрод – вбитый в землю стальной прут, труба или уголок. Для снижения сопротивления растеканию заряда заземлитель формируют из нескольких таких элементов, соединяя их горизонтальными перемычками.

Описанный вариант недолговечен, т.к. металлопрокат корродирует, а ржавчина имеет высокую резистивность.

Более длительным ресурсом обладают электроды с защитным покрытием:

• цинковым;
• медным.

Второй вариант дороже, но эффективнее, т.к. обладает низким сопротивлением.

Работоспособность системы зависит не только от резистивности заземлителя, но и от проводимости грунта. На нее влияют такие факторы:

• состав почвы;
• влажность;
• концентрация солей.

С увеличением глубины резистивность грунта резко снижается. Поэтому широкое распространение получили сборные (модульные) электроды, погружаемые на десятки метров. Изделие состоит из секций с резьбой или иным соединительным элементом.

Первую из них оснащают заостренным наконечником и вбивают в грунт, пока на поверхности не останется только хвостовик. Затем навинчивают или приваривают следующую секцию и продолжают заколачивание.

Защита заземления

Наружные элементы Pe-системы нуждаются в защите от коррозии, т.к. она приводит к негативным результатам:

• увеличению сопротивления в зоне контакта с грунтом и в местах соединений отдельных компонентов;
• уменьшению сечения проводников, вследствие чего те разрушаются при протекании больших токов.

Заглубляемую часть электродов защищают покрытием из цинка или меди либо помещают в бетон. Стыки перед обратной засыпкой грунта обматывают смоляной лентой.

Наземную часть обмазывают битумом. Его заливают и внутрь электрода, если в этом качестве используется труба.

Некоторые материалы несовместимы, т.к. дают в зоне контакта гальваническую коррозию. С учетом этого запрещено размещать медные заземлители рядом со стальными, в т.ч. арматурой фундаментов.

Виды контуров заземления

Существует 2 схемы расположения стержней в многоэлектродных заземлителях. У каждой есть свои достоинства и недостатки.

Треугольник

В этом варианте вертикальные электроды помещают в вершинах равностороннего треугольника. Минимальное расстояние между ними составляет 1,2 м, оптимальное – равно длине стержней.

Если установить электроды ближе 1,2 м, они будут влиять друг на друга, увеличивая сопротивление растеканию.

Преимущества треугольной схемы:

1. Простой монтаж. Работы по установке и соединению стержней ведут в просторной яме.
2. Надежность. При разрушении одной из перемычек все 3 электрода остаются подключенными к цепи.
3. Компактность. Треугольные заземлители при прочих равных условиях занимают наименьшую площадь.

Линейный контур

В этом варианте электроды расставляют по прямой. Такой контур лишен преимуществ треугольного, но зато его можно нарастить.

Линейными заземлителями оснащают объекты, где в скором времени ожидается расширение сети с увеличением потребляемой мощности.

Схемы заземления

В распределительных сетях применяют несколько Pe-схем. Их обозначают буквенным шифром, первая литера которого соответствует способу заземления источника тока, т.е. трансформатора или генератора, вторая – потребителя. Далее через тире указывают способ их соединения.

Значения букв:

• T – земля (terra);
• N – нейтраль (neutral);
• C – комбинированная (combined);
• S – раздельная (separated).

Система TN-C

В этом варианте заземлен только трансформатор на подстанции (Т). На стороне потребителя имеется нейтраль (N), причем защитный проводник с ней объединен (C). Заземляющий контакт подключать не к чему, возможно только зануление.

Единственное преимущество системы TN-C – малая стоимость, что объясняется использованиям 2- и 4-жильных кабелей.

Недостаток – низкий уровень безопасности.

Для защиты потребителей применяют УЗО (выключатель дифференциального тока).

Схема TN-C действует только в старом жилом фонде времен СССР, подключение новых объектов таким способом теперь запрещено.

Система TN-C-S

Представляет собой улучшенный вариант устаревшей TN-C. На вводе в здание от нейтрали ответвляют защитный проводник (S), к которому подключают заземляющий контакт розеток и электроприборов.

По сравнению с TN-C эта система более безопасна, при этом ее удорожание незначительно.

Недостаток: при повреждении нулевой жилы на участке от подстанции до ввода в здание все заземленные элементы окажутся под напряжением. Для предотвращения этого применяют специальные меры.

Система TN-S

Наиболее безопасный, но и самый дорогой вариант. Нейтраль разделена на нулевой и защитный проводники на подстанции, поэтому для электроснабжения используют 3- или 5-жильные кабели. Зато при повреждении линии на участке подстанция-здание заземленные элементы установок не окажутся под напряжением.

Система TT

В сельской местности, где применяют воздушные линии электропередач, невозможно обеспечить безопасность участка подстанция-потребитель. Поэтому реализация схемы TN-C-S затруднена.

Здесь применяют вариант TT, который предполагает устройство на стороне потребителя местного заземлителя. К нему подключают защитный проводник, связанный с заземляющим контактом розеток и приборов.

В городских условиях систему TT применяют для электрификации временных коммерческих объектов – ларьков, парикмахерских и т.п.

Выполнение расчетов

На этапе проектирования заземлителя нужно так подобрать его параметры, чтобы сопротивление устройства оказалось в допустимых пределах. Для этого выполняют серию расчетов.

Сопротивление грунта

Сопротивление растеканию заряда для одиночного стержня рассчитывают по формуле:

Ro = (Pэкв/2π*L) *{ln(2L/d) + 0.5 ln((4T + L)/(4T – L)}

Если электрод помещен в разнородный грунт (2-слойный), сопротивление вычисляют по формуле:

Pэкв = (Ψ*P1*P2*L)/( P1(L – H + tг) + P2(H – tг)), где

• Ψ – коэффициент, учитывающий сезонность;
• P1 и P2– удельная резистивность первого и второго слоев грунта, Ом/м;
• Н – толщина верхнего слоя, м;
• Т – глубина погружения стержней;
• Tг – заглубление вертикального штыря (расстояние от верха заземлителя до поверхности земли).

Размеры и расстояния для заземляющих электродов

Минимальная длина стержня составляет 2,5 м. При соблюдении этого условия основание электрода с гарантией 100% окажется ниже отметки промерзания грунта, где круглый год сохраняется приемлемое сопротивление растеканию заряда.

Методика расчета количества стержней зависит от того, из чего состоит заземлитель.

Если только из вертикальных электродов – применяют формулу:

No = Ro *Ψ/Rн, где

Rн – рекомендуемое нормами сопротивление растеканию.

Если в конструкции есть горизонтальные элементы, число стержней равно:

N = Ro/( Rв*ηв), где

ηв – коэффициент использования заземлителя, учитывающий взаимное влияние электродов друг на друга.

В линейной конструкции оно выше, поэтому результат вычислений округляют в большую сторону.

Нормы и требования

Согласно ПУЭ, в качестве электродов можно применять:

• полосу сечением от 48 кв. мм;
• прут – от 10 кв. мм;
• уголок толщиной от 4 мм;
• трубу диаметром от 2,5 см с толщиной стенки от 3,5 мм.

Такие размеры приняты с целью обеспечения долговечности стержней в пределах 5-10 лет.

Глубина забивания штырей

Согласно ПУЭ (глава 1.7.) минимальная глубина погружения стержня составляет 0,7 м. Полосу, соединяющую вертикальные заземлители, ставят на ребро.

Заземление и молниезащита

ПУЭ предписывает соединять контуры защитного заземления электроустановок и молниезащиты второй и третьей категорий, т.е. всех объектов, кроме взрывоопасных. Связь выполняют не менее, чем 2 проводниками (ПУЭ, п. 1.7.55).

Если контуры останутся разъединенными, в момент удара молнии может произойти пробой между громоотводом и домашней электросетью. Это приведет к выходу из строя электроники, пожару или разрушению некоторых элементов, в т.ч. пластмассовых водопроводных труб.

Монтаж контура заземления

ПУЭ и другие нормативы регламентируют и порядок монтажа электродов. При соблюдении правил заземлитель прослужит положенный срок.

Земляные работы

На месте монтажа роют яму глубиной 0,7 м. Часто в целях экономии используют траншею, вырытую для прокладки кабеля от ЛЭП к дому.

Установка конструкции

Дальше действуют в такой последовательности:

1. Заглубляют в дно выемки вертикальные электроды.
2. Приваривают горизонтальные перемычки так, чтобы они лежали на дне выемки.
3. Сбивают окалину со швов, заодно проверяя ударами молотка их качество.
4. Покрывают места соединений битумом и обматывают смоляной лентой с половинным нахлестом, а если грунт относится к агрессивным – в 2 слоя.
5. Подсоединяют к одному из электродов заземляющую жилу.
6. Производят обратную засыпку выемки грунтом без мусора и камней, трамбуя его послойно.

Если провод не имеет изоляции, его обматывают смоляной лентой на 300 мм ниже поверхности земли и на 200 выше.

Стержни погружают в грунт забивкой, вдавливанием или ввертыванием (круглого сечения). Используют копер или установку ПЗД-12.

Перед ввертыванием к стержню приваривают наконечник-заборник в виде винтообразно закрученной полосы.

После монтажа конструкции оформляют акт на скрытые работы со схематическим чертежом, показывающим привязку электродов к видимым стационарным ориентирам на поверхности.

Ввод в дом

Заземляющие проводники вводят в дом не менее, чем в 2 местах. Вдоль стен их прокладывают на высоте 0,4-0,6 м от пола, от других поверхностей отступают 50-100 см. Шаг крепежных элементов – 0,6-1 м.

Прилегание к стене допускается только в сухих помещениях и в условиях отсутствия химически активной среды. В остальных случаях используют опоры, обеспечивающие наличие зазора между проводником и конструкцией.

Если в роли заземляющего проводника выступает полоса, ее пристреливают дюбелями, используя строительно-монтажный пистолет. При наличии в конструкциях здания закладных ее можно приварить к ним.

Проверка и контроль

Даже самые сложные методики расчета сопротивления растеканию не способны учесть всех факторов и точно предсказать его значение. Поэтому после устройства системы ее резистивность проверяют специальными омметрами с низким входным сопротивлением, например М-416 или Ф-4103.

Эти работы выполняет лицензированная организация, по их результатам составляют акт. Он является основанием для ввода системы в эксплуатацию. Со временем сопротивление растеканию может вырасти.

Этому способствуют:

• коррозия основного металла и сварных швов;
• изменение состава грунта;
• снижение влажности, например из-за изменения характера течения грунтовых вод после земляных, мелиоративных или иных работ.

Поэтому нужно периодически приглашать специалистов для замера резистивности контура. Для частного дома рекомендуемый временной интервал составляет 3 года.

Соблюдение техники безопасности

Перед проведением любых работ на заземляющем устройстве нужно сделать одно из двух:

• обесточить дом;
• отсоединить заземляющий провод от главной шины.

Заземленные части электроустановок могут оказаться под напряжением в любой момент, в т.ч. и во время манипуляций с контуром. Если он не будет отключен, пользователь получит удар током.

Перед выполнением работ в электрощите дом тоже нужно обесточить. Выключив автомат, убедитесь в отсутствии напряжения с помощью указателя фазы (индикаторной отвертки).

Разница между заземлением и занулением

Термин «зануление» означает подключение нетоковедущей части установки к рабочему нулю. Если она окажется под напряжением, произойдет короткое замыкание и в автомате сработает электромагнитный расцепитель. Участок сети мгновенно будет обесточен.

Недостаток данного способа защиты состоит в том, что при повреждении (обрыве) нуля выше точки подключения защитного проводника все зануленные элементы окажутся под напряжением. Чем дальше эта точка от потребителя, т.е. чем ближе она к подстанции, тем ниже вероятность аварии и, соответственно, тем безопаснее система.

Формально TN-C-S и TN-S являются занулением.

Но во втором случае точка подключения защитного проводника к нейтрали находится на подстанции, что практически исключает обрыв нуля выше ее. Полноценное заземление потребителей реализовано только в системах TT и IT (с изолированной нейтралью).