Контур заземления

Контур заземления – это термин, имеющий несколько толкований:

  1. Металлическая конструкция, закопанная глубоко в грунт и имеющая относительно него малое электрическое сопротивление, служащая заземлителем.
  2. Нулевые проводники во всем своём комплексе из состава оборудования целого здания, служащие для защиты металлических конструкций, в рабочем состоянии не являющихся источниками электрической опасности, от заноса на них потенциала.

Сказанное ниже не только позволит сделать контур заземления своими руками, но и даст понятие о том, чего делать вовсе не стоит.

Из истории развития вопроса

Как гласит предание, изобретатель заземлённой розетки (стандарта Соединенных штатов Америки) ввел дополнительный контакт после того, как его домовладелица была поражена током по неосторожности. Дело было следующим образом: желая немного охладиться женщина решила, что вентилятор как раз то, что ей сейчас нужно. В это время через окно внутрь забрался кот и прыгнул. Хозяйка и прибор как раз оказались на его пути… В результате этого происшествия ни одно животное не пострадало. Но электрический шок заставил женщину все рассказать Филиппу Лабре (Philip Labre). Инженер проанализировал произошедшее и понял, что цепь не замкнулась бы на человека, заземли кто корпус вентилятора. Это и было сделано.

Что касается прочих стран мира, то осознание необходимости в заземляющем защитном контакте пришло давно. Более подробно об этом можно почитать в разделе про штепсельные розетки. Сегодня защитное заземление введено в схемы электроснабжения практически всех стран мира. То, что форма розетки отличается, вопрос десятый – главное, что факт необходимости этой меры вполне осознан.

Согласно данным советской литературы в период властвования Никиты Хрущёва выработка энергии составила 230 млрд. кВт-часов. Что превышало примерно в 120 раз показатель на момент 1913 года. Так советские политологи пропагандировали коммунистический строй. Согласно данным отчётов в мире потребление каждые десять лет удваивалось. И СССР был, понятное дело, впереди всей планеты. При этом безопасность отодвигалась на второй план, и мало кто знал, что такое контур заземления.

Случившийся в начале 70-х годов экономический кризис показал, что установившееся материальное благополучие развитых стран может в любой момент пошатнуться. Когда цены поднялись до 12 долларов за баррель (были и такие времена, а сейчас цифра буксует в районе 50), промышленники забили тревогу. Вот тогда и стали всем скопом думать про класс энергоэффективности бытовой техники. Первым инновационные технологии сбережения энергии опробовал штат Калифорния. А правительство следило за результатом (который оправдал чаяния зачинщиков этого мероприятия).

Схематическая зарисовка заземления

Схематическая зарисовка заземления

Как следствие, произошёл потрясающий рост количества электрических приборов при прежнем потреблении в целом. Тогда же стали задумываться о контуре заземления, дифференциальных автоматах, дизайне и спросе.

Потребность в заземлении

Бытовая техника

В быту если нет возможности заземлить корпус, то нужно хотя бы его занулить. Это общее правило, годящееся в большинстве случаев. Даже для трёхфазных цепей. Занулять не нужно корпусы и прочие части установок, проводящие ток, цепи питания которых лишены защиты дифференциальным автоматом. Это простое правило вытекает из очевидных соображений: в двухфазных цепях току все равно, где замыкаться на землю. Если авария не будет обнаружена немедленно (при помощи дифференциального автомата), то замыкание может пройти через любые части контура:

  1. Трубы канализации, водоснабжения, газа.
  2. Арматура зданий.
  3. Электрические щиты.
  4. Антенны.

Предсказать заранее, куда двинется ток, достаточно сложно. Поэтому в бытовой технике занулённый предметы нужно защищать дифференциальными автоматами. Прямо об этом не говорится, но требования ПУЭ и ГОСТ Р 50571.11 довольно однозначно выполняют это предписание. Согласно нормам нужно занулять все (есть исключения) металлические предметы на кухне и в ванной комнате, а на потребителей ставить дифференциальные автоматы защиты. Чем и обеспечивается безопасность в случаях, рассмотренных выше.

Читайте также:  Переменный ток

Что касается трёхфазных цепей (с глухозаземлённой нейтралью), то в них зануление корпуса считается более надёжной защитой. Потому что в одной из ветвей питания потенциал может оказаться ниже почвы, и ток утечки направится туда. Если же корпус просто завести на контур заземления, то образуется резистивный делитель, где сложно предсказать потенциал той или иной точки. Но в любом случае львиная доля тока пойдёт через неудачника, взявшегося за оголённую токонесущую конструкцию рукой. А вот занулённый корпус уже можно, а иногда и нужно заземлить.

У многих возникает вопрос – как быть с трёхфазными установками, включаемыми по схеме с изолированной нейтралью? Если имеются какие-либо опасения, то… нужно читать дальше!

Защита от однофазного замыкания в сети с изолированной нейтралью

Защитное заземление в цепях с изолированной нейтралью это то, с чего начинается книга М.Р. Найфельда из известной Библиотеки электромонтера. Из описания следует, что уравнивание с потенциалом грунта любых токонесущих конструкций является обязательной мерой защиты. Таким образом, рабочий персонал в полной безопасности. Но возникает вопрос: как определить, что произошла утечка? Мощное оборудование может продолжать функционировать и в описанных условиях.

Более того, режим однофазного замыкания учебником рассматривается всего лишь, как потенциально опасный. Оборудование продолжает работать, а аппаратура контроля изоляции просигнализирует ремонтной группе, и та будет в курсе грядущих событий. Помимо этого налицо следующие серьёзные проблемы:

  1. Потеря электроэнергии на нагрев проводки и почвы. Помимо очевидных неприятностей это грозит порчей полимерной изоляции кабелей и проводов.
  2. Создаётся потенциально опасная ситуация. В частности, возможно образование точек, где проявляет себя шаговое напряжение.
  3. Перекос фаз, неизбежно проявляющий себя в такой ситуации, является потенциально невыгодным режимом эксплуатации. Не только для поставщика энергии, но и потребителей. В частности, возможны рост или падение напряжения по другим линиям.

Понятно, что бригада ЛЭП знает, как себя вести в опасной ситуации, но что делать обычным гражданам и даже предприятиям? Чтобы как-то бороться с ситуацией на месте, применяются следующие типы реле:

  1. Реле перекоса фазных напряжений работает на том принципе, что был описан выше. При замыкании на землю нагрузка одной из ветвей сильно вырастает. Из-за чего нарушается баланс напряжений по терм фазам. Реле отслеживает этот момент и может отключить нагрузку или подать сигнал тревоги.
  2. Реле нулевой последовательности функционируют на основе метода симметричных составляющих. По особым правилам ток раскладывается на сумму векторов. Появление тех или иных составляющих в уравнениях сигнализирует о той или иной ситуации. Напряжение нулевой последовательности сигнализирует о появлении короткого замыкания.

Небезопасным является перекос фаз и для работы оборудования. Обязательно нужно отключать холодильники (компрессоры) и кондиционеры при возникновении подобных ситуаций. Защитное заземление максимально простым путём поможет решить проблему идентификации ситуации. Особенно, если эту цепь контролировать трансформатором тока.

Электрический обогрев пола

Из сказанного следует, что сферы, ранее обеспечиваемые исключительно нефтью, сегодня частично переведены на снабжение электричеством. Речь, прежде всего, идёт об отоплении. Вот когда появляется повод задуматься не только об утеплении дома, но и безопасности. К примеру, система Тёплый пол занимает всю площадь комнаты. И опасность может прийти со всех сторон:

  • Влага из подвала поднимается за счёт капиллярного эффекта вверх.
  • Потоп может превратиться в настоящую катастрофу. Также опасно ходить и по влажному полу.
Читайте также:  Импульсный источник питания

Бетон, кирпич проводят электрический ток. Как сделать заземление системы Тёплый пол? Можно отмахнуться, мол, низкая вероятность поражения человека, но… Допустим, кто-то вошёл в комнату, где только что была влажная уборка, босиком – чтобы не натоптать. Взялся рукой за смеситель и получил полноценный удар током. Механизм произошедшего следующий:

  1. От перегрева или в силу старости электрическая изоляция кабеля растрескалась.
  2. Бетонная стяжка также стала больше похожа на кракелюр ввиду прошедшего времени.
  3. Вода, налитая на пол, проникла к самому кабелю. Но поскольку заземляющих предметов не было поблизости, то система продолжила свою работу в обычном режиме: току нет пути.
  4. Когда голой ногой некто встал в лужу, а потом взялся рукой за смеситель, то замкнул свои телом цепь. Часть тока пошла через человека, а другая – дальше по цепи обогревать помещение.

В этой ситуации нужно учесть ещё, что сопротивление резистивного кабеля весьма высокое, поэтому через человека пойдёт значительный ток. Многие заявят, что наверняка на входе стоит дифференциальный автомат защиты, который немедленно засечёт утечку. Но, как правило, лучше опасной ситуации не допускать вовсе, чем гадать, почему это у нас пол холодный? Автомат, будучи поставлен согласно указаниям А. Земскова, наверняка работает обособленно от освещения и розеток. Каким образом хозяин узнает, что его пол больше не греется?

Это очевидные доводы, поэтому контур заземления можно изначально обустроить по-иному. Если не удаётся найти экранированный резистивный кабель, чтобы занулить оплётку, то можно подобрать металлорукав. Совсем как в том случае, когда подогревают водой: идёт зигзагом труба по той же траектории, что и электрики кладут провод Тёплого пола. Это не будет противоречить общим требованиям нормативных актов и однозначно снизит опасность. Допускается заземлять армирующую сетку, проложенную поверх кабеля. Тем более, что общие правила рекомендуют арматуру железобетона соединять с грунтом. В частности, естественно заземлённые конструкции допускается использовать в системах защиты.

Где нужно обустроить заземлитель

Контур заземления соединяется с грунтом через заземлитель. При этом важную роль играет сопротивление между ним и почвой. По промышленным меркам общий импеданс от точки защиты не должен быть больше 5 Ом. К бытовым приборам стандарты более лояльны – достаточно 10 Ом. Более точные значения можно посмотреть по таблице. Конструкция заземлителя собирается из металлических полос, труб, уголков.

Можно обустроить заземлитель по Евростандарту, но авторы уверены, что большинство читателей поленится листать англоязычную литературу. Между тем, издание М.Р. Найфельда предоставляет все данные для проведения расчётов. Согласно зависимости сопротивления стали грунту от удельного сопротивления самого грунта можно выбрать геометрические размеры заземлителя (длину, сечение). Следует обратить внимание, что приведённое значение характеризует процесс стекания тока с заземлителя. Внутреннее сопротивление цепи находится по обычным физическим формулам. Чем проводник длиннее, тем оно и значительнее.

Сопротивление почвы берётся из таблицы и зависит от вида грунта. Вдобавок к этому автор приводит данные о единичных заземлителях. Это позволяет комбинировать полосы стали с различными другими конструкциями, добиваясь желаемого эффекта. В частности, Евростандарт рекомендует собрать «гребёнку». Полоса стали залегает на глубине от 0,6 метра и более, а от неё вниз (до 5 метров) идут равномерно расставленные металлические прутки.

Из графика видно, что размеры заземлителя определяются преимущественно грунтом и что выгодно дойти до подземных вод, чтобы снизить объем работ. Понятно, что в этом случае металл начнёт быстро гнить. Для избавления от этой неприятности можно пользоваться грунтовкой (против ржавчины) по металлу, либо выбрать иное место захоронения заземлителя.