Где применяется защитное заземление: для чего служит принцип действия

Владельцу частного дома нужно знать о том, что называется защитным заземлением и как организовать такую систему. Она убережет жильцов от электротравмы. Хозяин участка может самостоятельно выполнить монтажные работы, но для ввода в эксплуатацию нужно получить разрешение РЭС.

Понятие защитного заземления

Защитным заземлением (англ. Protection Earth или PE) называют намеренное подключение металлических нетоковедущих частей электроустановки к системе сброса заряда в грунт. Такими элементами являются:

• корпуса;
• ограждения;
• фланцы опорных изоляторов;
• кожухи трансформаторов;
• рукоятки приводов разъединителей.

Отличия защитного заземления от рабочего

Отличия обоих видов заземления отображены в таблице:

Критерий	Тип заземления
	Защитное	Рабочее
Цель	Делает эксплуатацию электроустановки безопасной, оберегая людей от удара током	Обеспечивает функционирование приборов – трансформаторов (сглаживает последствия перекоса фаз), электрогенераторов, дуговых разрядников и пр.
Характер работы	Только в случае аварии, например, при замыкании фазы на корпус	Постоянно в процессе эксплуатации устройства
Заземляемые части	Нетоковедущие	Токоведущие
Требования	Высокие	Низкие

Рабочее заземление еще называют функциональным.

Предназначение: цели и задачи

В основе всех PE-систем лежит общий принцип действия. Несмотря на это, они применяются для решения разных задач.

Защита от попадания молнии

Молния представляет собой мощный электрический разряд между облаками и поверхностью планеты или заземленным объектом.

Пробой возникает в месте наименьшего сопротивления. Это значит, что чем выше объект и чем больше у него проводимость, тем вероятнее удар молнии. В «группу риска» входят:

• дома, особенно с мокрыми стенами;
• деревья;
• металлические конструкции;
• электрокабели;
• трубопроводы;
• люди на открытой местности или на крыше здания.

Чтобы сделать разряд условно контролируемым, применяют молниеотводы – высокие заземленные металлические мачты.

Размеры конструкции подбирают так, чтобы она возвышалась над всеми близко расположенными объектами.

Максимально допустимое сопротивление заземлителя нормируется РД 34.21.122-87 и другими документами. Оно зависит от категории здания по молниезащите:

• I и II – 10 Ом;
• III – 20 Ом.

При ударе молнии возникает импульс напряжением в сотни киловольт. Если громоотвод расположен вблизи здания, возможен пробой на любую из следующих систем:

• трубопроводы;
• электропроводка;
• коммуникационные сети;
• бытовые приборы.

Во избежание этого заземлители здания и молниеотвода соединяют двумя или более перемычками.

От импульсного перенапряжения

В сети случаются кратковременные периоды увеличения напряжения, когда оно может в несколько раз превышать номинальное. Причиной этого могут стать:

• попадание молнии в громоотвод или линию электропередач;
• короткое замыкание;
• переключение мощных индуктивных потребителей – двигателей и трансформаторов.

Импульсные перегрузки способны вывести из строя дорогую чувствительную аппаратуру. Для ее защиты применяют ограничитель перенапряжения. Такие устройства называют по-разному. Вариант для электроустановок вольтажом до 1 кВ принято именовать устройством защиты от импульсных перенапряжений (УЗИП).

Оно сбрасывает избыток энергии в землю. Соединение с контуром PE образуется в результате пробоя воздушного промежутка или особого полупроводникового прибора – варистора.

Существует 3 разновидности устройств защиты от импульсных перенапряжений:

Класс УЗИП	Нейтрализуемый прибором поражающий фактор	Место установки
I	Грозовые разряды	Ввод питающей сети в здание (РУ или ГРЩ)
II	Переключения в сети и остаточные перенапряжения после разрядов молнии, не снятые УЗИП I класса	Распределительные щиты
III	Перекос фаз и остаточные перенапряжения, высокочастотные помехи	Вблизи защищаемого прибора

Область применения УЗИП III класса – медицина и другие отрасли, использующие дорогое высокочувствительное оборудование.

Защита людей

В результате разрушения изоляции возможно замыкание фазы на металлический корпус прибора или иной нетоковедущий элемент. Коснувшись его, пользователь получит электротравму. Для предотвращения таких ситуаций корпус подключают к PE-контуру.

Действие системы основано на стремлении электрического тока двигаться по пути наименьшего сопротивления: у человека оно выше, чем у заземлителя.

Если установка запитана через устройство защитного отключения (УЗО), то при замыкании фазы на заземленный корпус она сразу будет обесточена.

Устройство защитного заземления

PE-система состоит из нескольких компонентов:

1. Заземляющей шины в распределительном щите здания. К ней подсоединяют защитные проводники от розеток и электроустановок.
2. Заземлителя. Это врытая в грунт металлическая конструкция.
3. Токопровода. Это кабель или стальная полоса, соединяющая два первых компонента.

Используют розетки с дополнительным PE-контактом. Он соприкасается с пластиной на вилке прибора, подключенной с помощью проводника к корпусу.

Принцип работы

Действие системы заземления основано на способности грунта неограниченно впитывать заряд. Эффективность PE-контура тем выше, чем ниже его сопротивление. Оно зависит от следующих факторов:

• площади контакта электродов с грунтом;
• удельного сопротивления почвы растеканию тока;
• расстояния между стержнями заземлителя;
• резистивности соединений между частями контура.

Нормы и требования

Сопротивление PE-контура нормируется. Максимально допустимые значения задают ПУЭ и другие документы. Данные сведены в таблицу:

Устройство	Максимально допустимое сопротивление заземления, Ом
Молниеотвод	10-20
Телекоммуникационные системы	2
Серверное оборудование	1
Рабочее заземление электроустановок	4-10
Защитное заземление жилых и общественных зданий при суммарной мощности одновременно работающих потребителей до 100 кВА	10
То же при мощности свыше 100 кВА	4

В качестве электродов разрешено применять:

• трубы диаметром 3-5 см с толщиной стенки от 3,5 мм;
• полосовую сталь или уголок толщиной от 4 мм;
• прут диаметром от 10 мм.

В агрессивных почвах (кислых, щелочных и т.д.) вместо быстро корродирующей стали применяют медные, омедненные или оцинкованные стержни. Алюминий использовать нельзя: он покрывается плохо проводящей электричество окисной пленкой.

Число стержней и глубина погружения не нормируются – их определяют расчетом. Но в правилах прописано ограничение: электроды забивают хотя бы на 30 см ниже отметки промерзания грунта. Причина заключается в том, что мерзлая почва обладает высоким сопротивлением растеканию тока.

Со временем резистивность PE-контура может вырасти по ряду причин:

• из-за коррозии стержней;
• вследствие изменения химического состава грунта;
• в результате снижения влажности почвы после работ по осушению участка.

По этой причине ПУЭ и Правила технической эксплуатации электроприемников предписывают периодически замерять сопротивление заземлителя. Установлены следующие сроки:

Потребители	Периодичность проверок
Работающие в особо опасных условиях – лифты, прачечные, бани, кухни и столовые, грузоподъемные машины и механизмы	1 год
Силовые подстанции	6 лет
Частные дома	1 год
То же, если электроустановки, дымовые трубы или изоляция проводов уже подвергались ремонту	6 месяцев

Замер сопротивления осуществляет лицензированная компания. Результаты отражают в протоколе, который домовладелец должен предъявить в РЭС.

Виды заземляющих устройств

Есть 2 типа заземлителей:

1. Искусственные. Это конструкции, специально созданные для отвода тока в землю.
2. Естественные. Это конструкции, созданные для других целей.

Правила предписывают в первую очередь использовать заземлители второго типа. К ним относятся:

• трубопроводы, транспортирующие воду и другие негорючие и взрывобезопасные вещества (кроме теплотрасс );
• арматура фундаментов и другие металлические конструкции зданий и сооружений, надежно соединенные с грунтом;
• оболочки кабелей, кроме алюминиевых;
• обсадные трубы скважин.

Схемы заземления дома

Существуют такие схемы заземления:

• TN-C;
• TN-S;
• TN-C-S;
• TT;
• IT.

Первая маркировка обозначает, что заземление (от фр. terra) есть только на стороне подстанции, у потребителя – нейтраль (neutrall). В связывающей их линии защитный проводник совмещен (combined) с нулевым.

Достоинство TN-C – низкая стоимость: нужны 4-жильные кабели.

Недостаток: заземлить корпуса приборов нельзя – только занулить. Это значит, что их подключают к нейтрали. Если выше точки подключения защитного проводника к нулю случится обрыв, корпуса окажутся под напряжением.

Система TN-S более безопасна. В ней нулевой проводник и защитный, к которому подключают корпуса приборов, разделены (separated). Где бы на линии ни случился обрыв, корпус под напряжением не окажется.

Недостаток – высокая стоимость: нужны 5-жильные кабели.

TN-C-S – это усовершенствованная версия TN-C. Проводники разделены до ввода в здание, т.е. на самом уязвимом участке. Отсюда и до подстанции они совмещены.

TT применяют в частном секторе и в городах при подключении малых архитектурных форм, где систему TN-C нельзя использовать из-за уязвимости воздушных линий передач. TT подразумевает устройство заземлителя на стороне потребителя.

IT – система с изолированной нейтралью, самый надежный вариант.

Применяется в медицинских учреждениях, энергетике, на нефтеперерабатывающих предприятиях и в лабораториях.

Расчет параметров

Для определения параметров заземлителя нужно воспользоваться методикой, изложенной в главе 1.7 ПУЭ. Для расчета потребуются данные:

• требуемая величина резистивности контура;
• удельное сопротивление грунта растеканию тока;
• допустимое шаговое напряжение;
• расстояние между электродами.

Самостоятельная установка заземляющих элементов

Устройство заземлителя производят в таком порядке:

1. Роют траншею глубиной 0,7-0,8 м.
2. Забивают в ее дно стержни, используя кувалду или специальную установку, так, чтобы снаружи оставались отрезки длиной до 15 см.
3. Приваривают к стержням стальную полосу, объединяя их в цельную конструкцию.
4. Сваркой подсоединяют к заземлителю токопровод.
5. Зачищают сварные швы и обмазывают их толстым слоем битума.
6. Выполняют обратную засыпку траншеи.

Часто в целях экономии времени и сил для монтажа электродов используют траншею, вырытую для прокладки кабеля от ЛЭП к дому.

Завершив монтаж заземлителя, приглашают специалистов лицензированной компании для замера сопротивления PE-контура. Результаты оформляют и подают в РЭС для получения разрешения на ввод в эксплуатацию.