Заземление электроустановок и оборудования: типы и нормы

Безопасная работа электрооборудования возможно только при обустроенном заземлении.

Классификация систем заземления

В шестой редакции правил укладки электрооборудования предписывалось два способа заземления трансформаторов и потребителей, что упрощало классификацию схем заземления.

1. Глухая (глухозаземленная) шина-нейтраль подсоединялась непосредственно к контуру заземления на распределительном трансформаторе, а потребителям подавалась пара проводов. Заземление у потребителей имелось отдельное.
2. Нейтральная шина подсоединялась отдельно от проводника, уходящего в землю, специальным проводом, помимо двух проводов питания.

В теории система заземления должна была функционировать безупречно – проста и ясна любому электрику, подключающему электрооборудование к сети. В большинстве случаев заземление работало исправно при соблюдении балансировки напряжения и работоспособности заземляющего провода.

Трудности появлялись только при неравномерной нагрузке, например, в деревнях, или при обрыве нулевой провода. На отсоединённой нейтрали всегда был лишний потенциал по сравнению с «землёй», что представляло опасность.

Даже на самых простых устройствах освещения, холодильниках, а тем более на мощных электроустановках возникал опасный для человека потенциал.

С 2009 года седьмая редакция ПУЭ устанавливает новые схемы заземления электроустановок и вводит их классификацию с буквенным обозначением.

Современная классификация выделяет пять типов заземления электроустановок.

1. TN-C — устаревшая разновидность, где отделена заземленная «глухая» нейтраль.
2. Вариант TN-S с раздельными нулевым и защитным (землёй) проводами.
3. Схема TN-C-S: нейтральный провод (N) и защитный провод РЕ объединены.
4. Схема ТТ. Защитный провод соединен с отдельным заземлением электрической установки.
5. Вариант исполнения ТИ с отдельной нулевым проводником и личным заземлением электрического оборудования.

Первая и последняя схемы — устаревшие системы заземления токоведущих частей, описанные в шестых и более ранних изданиях ПУЭ. Включая их в классификацию, учтен тот факт, что все электроустановки, трансформаторы, электрооборудование, проводка в промышленных и жилых помещениях выполнялись именно по этим двум схемам. Никто не стал менять ни цвета проводников, ни схему подключения. В седьмой редакции ПУЭ добавили 3 системы организации заземления, применяемые в импортном оборудовании.

Заземлённые линии относительно электроустановок маркировались как «Т», а изолированные – как «I». Нулевой рабочий провод обозначался «N», всегда был голубого цвета и применялся для передачи электроэнергии. Его устанавливали на изолированных клеммах. Потенциал нулевого провода относительно заземления на грунте будет избыточным.

Для заземления корпусов электроустановок и подключения к заземляющему контуру (на земле) применяют провод марки РЕ жёлто-зелёного цвета с полосами.

До 2009 года заземления в электроустановках выполняли черным проводом. При осмотре или ревизии щита стоит сначала найти желто-зеленый и черный провода. Перед работой проверьте индикатором, какой из проводов отвечает за заземление.

Система заземления TN-C

Эта схема с глухозаземленной нейтралью применяется в сетях с электроустановками до 1000 В, иногда и до 6000 В. Рабочий ноль и заземление объединены на одной шине. Несмотря на то, что это решение устарело, его до сих пор применяют в бытовых приборах и старых линиях электропередачи.

Система TN-C признана одним из самых действенных способов защиты от поражения электрическим током. Однако это возможно только при условии грамотного устройства заземляющего устройства в почве.
Для бесперебойной работы заземляющей части проводки нужно обновлять и периодически восстанавливать контур. Это наиболее уязвимое звено всей схемы TN-C.

Система заземления TN-S

Данная схема возникла в Европе около полувека назад. Оказалась надёжной и безопасной, но требовала больше затрат на обслуживание. В Советском Союзе не получила широкого распространения.

Вариант с изолированной нейтралью применим только к электроустановкам до 1000 В. Схема TN-S применяется при отсутствии возможности создать эффективное заземление с помощью рассеивающего металлического контура в земле. Иногда её применяют на передвижных электрогенерирующих установках.

Бытовая техника из Восточной Европы удивляла наличием дополнительной клеммы заземления на вилке. TN-S часто называют еврозаземлением, но это не совсем точно. В однофазной сети с напряжением 220 В в квартиру подается три провода: фаза, нейтраль и земля. Для трехфазного питания электроустановок требуется пять проводников.

Система TN-S предполагает раздельное использование нулевого защитного и нейтрального проводников по всей длине сети.

В данной ситуации PN – это нейтральный провод (синий цвет), а РЕ – это нулевой провод «земля» (жёлто-зелёный с полосками).

У системы TN-S есть ряд преимуществ:

• Металлический контур не нужно закапывать в землю.
• нет наводок от излучений высокой частоты;
• есть возможность установить аппарат УЗО.

Защитные приборы функционируют по принципу измерения тока утечки в влажной среде. При достижении током утечки с фазы на землю (влажные стены, пол или любая другая поверхность) или на нейтраль безопасного предела в 30 мА автомат прервёт подачу электроэнергии.

Система заземления TN-C-S

Этот вариант можно назвать временным решением или способом избавиться от проблемы наличия в домах устаревших систем TN-C и более современных систем TN-S.

Система TN-C-S объединяет элементы предшествующих систем заземления. В наиболее совершенной системе заземления электроустановок типа TN-S кабель в квартиру на распределительный щиток поступал с разделенной нейтралью и защитной линией, протягиваемой от трансформаторной подстанции до частного дома (подъезда многоэтажки). В данном случае для защиты, заземления (и нейтрали) использовался один общий кабель PE-N или PEN.

На вводном щите PEN перекоммутируется 3 провода:

• нейтраль, провод голубого цвета (N);
• защитный, желто-зеленый провод РЕ;
• Переход к заземляющей шине локального контура заземления.

Можно подключать импортные электроустановки из-за наличия защитной и нейтральной линии. Проводка дома или квартиры имеет местное заземление на грунте, что увеличивает безопасность.

Система сочетает плюсы ТN-С и TN-S, но унаследовала и их минусы. При обрыве в линии PEN или если заржавел отвод на дополнительный заземлительный контур, через нейтраль к корпусу электроустановки подается повышенный потенциал. Это грозит ударом током.

Система заземления TT

Схема ТТ с двойным заземлением может показаться необычной, но на самом деле очень практична.

Система ТТ по седьмой редакции ПУЭ (п.1.7.3) представляет собой схему, где нейтраль глухо заземляется на трансформаторной подстанции или распределительном трансформаторе, а также предусмотрено заземление контуром открытых частей электроустановки. Оба заземления не связаны электрически.

Система проста и надежна, хотя до издания ПУЭ 2009 года считалась опасной и формально находилась под запретом. В настоящее время применение её для заземления электроустановок в частных домах разрешено лишь при выполнении указанных условий:

1. Установка системы заземления в земле.
2. Установка системы уравнивания потенциалов на металлических деталях здания.
3. Использование УЗО (устройства защитного отключения).

Статья 1.7.59 ПУЭ устанавливает порядок подключения устройств защитного отключения (УЗО).

Изготовление заземляющего контура будет наиболее трудным этапом. Нужно не просто выкопать траншею и сварить периметр из старого металлического уголка. Поверхность контакта металла и грунта должна быть большой для того, чтобы сопротивление заземления, измеренное прибором, не превышало расчетную величину в Омах. Сопротивление (R) не должно превышать частного от деления 50 на максимальную величину тока срабатывания УЗО. Из нескольких приборов выбирается тот, у которого максимальный ток.

Система зануления потенциала — это медный проводник, соединяющий заземлением главные металлические детали, способные накопить лишний потенциал.

• корпус электроустановки;
• бытовая техника;
• стальные каркасы;
• вентиляция;
• водопроводные и канализационные трубы.

Система заземления IT

Классическая схема заземления IT для электроустановок, применявшаяся в период масштабного строительства жилых домов типа «хрущевки» на территории СССР.

Электроустановка-потребитель подключается к сети через три провода при трехфазной подаче и два провода при однофазной. На электроустановке потребителя нулевой провод заземляется в соответствии с нормами заземления.

Преимущества схемы:

1. Если рука коснется контактов или оголенного провода с током, но не будет полного замыкания, то почувствуется легкое покалывание, а не сильный удар электрическим током.
2. Небольшая величина тока протекает при коротком замыкании нулевого провода на заземлённый корпус.
3. Обрыв провода на опоре не создает шаговое напряжение при падении его на землю.

К недостаткам относится отсутствие возможности применения УЗО. Также при подключении мощной нагрузки с малым сопротивлением между нулем и одной из фаз на третьем проводе образуется избыточный потенциал большой величины.

Требования к заземлению электроустановок до 1000 Вольт

Потребители мало внимания уделяют оборудованию заземляющих и защитных устройств с стороны трансформаторов или генераторов. Тем, кто обслуживает электроустановки или использует бытовую технику, более важно правильно выполнить заземление.

Требования касаются заземления электроустановок до 1000 Вт:

1. Обеспечить стабильное соединение корпуса электроустановки с землей, минимизируя электрическое сопротивление.
2. Обеспечить безопасное удаление избыточного заряда, накопившегося на корпусе оборудования после происшествия.
3. Не допустить появления шагового напряжения.

При пробое изоляции на исправно заземлённой системе ток пойдёт по пути наименьшего сопротивления – через металлические части корпуса на заземляющую шину в землю. Так как на подстанции или на промежуточном участке нуль также заземлён в землю, то ток уйдет в направлении трансформатора по грунту. Из-за сопротивления грунта электроток рассеивается и теряет потенциал.

В такой ситуации касание сухим пальцем заземлённого корпуса электрооборудования окажется полностью безопасным, даже при частичном пробое повышенного напряжения. Сопротивление стандартного заземления редко превышает несколько Ом. У сухой кожи человек равен нескольким тысячам Ом, для влажной (но не мокрой) – от 500 до 1000 Ом.

Требования к обустройству защитного заземления для напряжений 42–380 В переменного тока и 110–440 В постоянного в особых условиях (наличие сред с высокой проводимостью) изложены в ГОСТ 12.1.013-78. В других случаях заземление электроустановок свыше 380 В переменного напряжения и 440 В постоянного выполняется по ГОСТ 12.1.030-81.

Естественные заземлители

Предметы и среды, способствующие накоплению напряжения в заземляющую массу, называются заземлителями. К первым относят специально созданные устройства с заданными характеристиками. ко вторым – металлические предметы на поверхности земли, размещенные в поверхностном слое почвы.

• стальные водопроводные трубы;
• Прочные провода с металлическим (свинецсодержащим) кожухом.
• арматура стен и фундамента;
• чугунные канализационные коммуникации;
• стойки;
• элементы вертикальных держателей.

Все это по-разному взаимодействует с землёй и при наличии проводящей среды (влажности) могут выступать как естественное заземление. Помимо передачи потенциала в грунт, естественные заземлители способны рассеивать ток, частично гасить его и переводить энергию в тепло.

Естественные заземлители могут рассеивать избыток потенциала, но при неисправном заземлении могут стать причиной поражения током. К примеру, если в ванной комнате розетка или корпус электроустановки не заземлены, а шина заземления неисправна, и пол сделан на железобетонной плите перекрытия.

Бетон хорошо впитывает воду, которая проникает до стальной арматуры — естественного заземлителя. Избыток электричества от розетки может по влажной поверхности протекать к смесителю с водой. Прикоснувшись босыми ногами к полу и крану, можно получить сильный удар током. Поэтому пол в ванной или кухне нужно покрывать гидроизоляцией.

Важность сопротивления стеканию току

Величина сопротивления рассеивания избыточного потенциала является самой важной характеристикой заземления. Работа заземляющего контура подобна замкнутой цепи: ток с фазовой линии поступает в корпус электроустановки и по пути наименьшего сопротивления направляется в грунт.

Для эффективного гашения электрического тока, стекающего в заземляющий контур, его делают не только из массивных стальных профилей или труб с большой площадью поверхности. Периметр контура должен быть большим, чтобы улучшить «разброс» тока в проводящей массе.

Заземление мощных электроустановок с рабочим напряжением 380–660 В выполняют в виде прямоугольного контура большой протяженности. Чем больше размеры прямоугольника, тем эффективнее рассеивается ток и меньше его сопротивление.

Излишне уменьшать сопротивление заземляющего устройства также не следует. Мощность рассеяния тока должна согласовываться с указаниями ПУЭ и ГОСТа, а главное – оставаться стабильной во все времена года.

Вблизи жилых домов расположение подстанции или трансформатора с заземленной нейтралью может быть опасным. В частном доме в густой городской застройке, где много подземных коммуникаций, стальные водопроводы могут снизить сопротивление земли и спровоцировать аварийную ситуацию на электроустановке.

Иногда хозяева используют обычное штыревое заземление. Это более простое и доступное решение по сравнению с контуром, которое подходит для небольших бытовых электроустановок. Но при этом возникает другая проблема. Ток от корпуса электроустановки, проходящий по шине заземления в землю, создает дополнительный потенциал на грунте. Чем больше напряжение на линии, тем выше этот потенциал на стоке, особенно если детали заземляющего контура утоплены неглубоко.

Из-за малой площади контакта металлического стержня с землей, сопротивление заземляющего контура велико. Избыточный потенциал распространяется от стержня радиально, уменьшаясь на поверхности при удалении от места установки. Образуется шаговое напряжение.

В дождливую погоду, туман или при мокром снеге, каждый, кто пройдет в сырой обуви возле заземляющего штыря, получит ожог от электричества.

В подобной зоне выход возможен исключительно прыжками с тесно сжатыми стопами.

Часто подобные зоны формируются возле мощных электросетей.

Функция заземления при повреждении изоляции проводников.

Случаи нарушения изоляции кабеля на линии исключаются. Сеть имеет собственное заземление, и при пробое автомат отключает линию.

В быту или на работе может произойти повреждение изоляции фазного проводника.

1. В системе TN-S (часто устанавливаемой в современных жилищах) лишний заряд пойдёт на корпус, поэтому ток пройдёт по защитному проводу PE в контур заземления, соединённый с щитком распределения.
2. Непробитая изоляция фазы и подгорание проводки небольшими импульсами наблюдаются в ситуациях, когда влажные помещения допускают ощутимые покалывания (удары потенциалом) при контакте с металлическими частями или токоведущими деталями. С УЗО на линии с поврежденной проводкой проблема не возникнет – аппарат отключит проводку на щитке.

В случае заземления домашних электроустановок по схеме TN-C-S наблюдается аналогичная картина. Избыточный потенциал уйдет в заземляющий контур подъезда. Недостаток – общее заземляющее устройство, подключенное к щитовой многоквартирного дома, может быть оборвано или повреждено. В этом случае возможен удар током, так как защитный проводник РЕ, который должен заземляться, также подключается к нейтрали, ведущей к подстанции.

Системы TT и IT в бытовых условиях не используют.

При повреждении изоляции ток пойдет частично на нулевую линию, а частично — на заземляющий контур во дворе дома. Если контур исправен, ничего не произойдет. При замыкании автомат-пакетник обесточит линию. Можно безопасно прикоснуться к корпусу, не касаясь других металлических предметов.

В некоторых случаях лёгкое, почти незаметное воздействие всё же реализуется. Такое возможно из-за свойств человеческого тела, обладающего внутренней вместимостью.

Защита электрооборудования в цехах

В промышленных зданиях обычно располагают много станков и другого необходимого инструмента. Также в мастерской всегда есть вентиляционные и световые системы, подключенные к независимой сети.

Для противопожарной безопасности освещение должно быть независимым. Вентиляция дополнительно оснащается сетью вспомогательных (изолированных) проводников с разрядниками и искусственными заземлителями для устранения высокого напряжения статического электричества, накапливающегося на вентиляционных каналах при перемещении воздуха.

Обе системы заземления не должны иметь электрической связи с защитой электрооборудования. TN-C и TN-S подходят для небольших, изолированных помещений с максимальным напряжением электроустановок до 380 В.

В цехах для защиты электроустановок применяют два типа систем заземления – TT и ТI. Все коммуникации и металлические части, соприкасающиеся с рабочими, обслуживающими оборудование, подлежат занулению. Система вторичного зануления предполагает подключение арматуры железобетонных плит полов, стен, лестничных маршей с перилами к дополнительной системе заземления.

Заземление сварочных аппаратов

Этот вид электрической машины отличается от других электроустановок по ряду причин.
Главная причина — огромные токи, из-за которых на кабелях аппарата для сварки возникают вторичные наводки. Если в обычных приборах корпус работающего двигателя или блока питания имел разность потенциалов в единицы вольт, то у сварочного аппарата наводка может достигать нескольких десятков вольт.

Второй важный момент — это индуктивный и периодический характер нагрузки. К тому же, на корпус сварочного аппарата поступают большие токи, а при включении заброс потенциала кратковременно может превышать сотню вольт.

Особенности заземления сварочных аппаратов:

1. Каждая электрическая установка должна иметь собственный заземляющий контур.
2. К одному заземлению подключать несколько приборов нельзя.
3. Корпус электросварки необходимо снабдить клеммой для винта – гайкой (барашком) или струбциной. Контакт от шины на «землю» нужно зажимать механически.

В соответствии с пунктами 1.7.112-1.7.226 ПУЭ-7, сечение заземляющего провода для стационарных электроустановок должно быть не менее 10 мм. ² для меди, 16 мм² для алюминия, 75 мм² для стали.

Заземление сварочных инверторов и других аналогичных электроустановок возможно по схеме с изолированной нейтралью, если имеется отдельный автоматический выключатель защитного отключения (УЗО).

Защита передвижных установок

Чаще всего это касается электрооборудования, установленного на транспорте. Для ремонтных мастерских, мобильных сварочных аппаратовДля установок, размещаемых на неоснащенных площадках в течение сравнительно продолжительного времени (до двух недель), возможно использование заземления по схеме ТТ.

Для мобильных измерительных лабораторий, радиостанций и оборудования с малой токовой нагрузкой применяется схема ТN-S. В обоих случаях заземление выполняется стандартным алюминиевым кол-заземлителем со шнековой насадкой. Его необходимо вкрутить в грунт на глубину не менее 80 см при наличии травяного покрова, так как почва влажная. Для сухих площадок используют контур из трех стальных штырей, забиваемых на глубину до 100-120 см.

Для ремонта и обслуживания наружных электроустановок любого типа применяются переносные заземлители. генераторТрансформаторы обладают собственной емкостью, а воздушные линии, подвешенные над землей, увеличивают её. Поэтому после обесточивания выполняется монтаж «земли» на все линии, которую можно использовать для временного заземления передвижных электроустановок.

Защита электроприборов

Технические документы подробно описывают схемы защитного заземления промышленных электроустановок и приборов. Бытовая техника, даже сложная, например котел или стиральная машина, не комплектуется схемой заземляющего устройства. Предполагается, что установку выполнят представители фирмы, которые произведут заземление.

Все бытовые электроприборы с переменным напряжением 42 В или постоянным напряжением 110 В и выше должны быть заземлены согласно п.1.7.33 ПУЭ. Исключением считаются системы освещения, где нет постоянного контакта. Все остальное, что имеет подключение к сети 220 В, следует обязательно заземлять.

В бытовых электросетях чаще всего применяют схемы TN-C-S или TN-C. Защита осуществляется с помощью РЕ, который находится в розетках и подключается к распределительному щиту и общему заземлению.

В квартирах с мощными электроприборами (бойлером, стиральной машиной, котлом отопления) лучше провести индивидуальное заземление с контуром в грунте. Нельзя быть уверенным, что общая «земля» на щитке многоэтажки, где подключено 20-25 квартир, гарантированно сработает при аварии.

Электроустановки с импульсными блоками питания также необходимо заземлять. Это устранит высокочастотные помехи и исключит возможность прохождения фазы на корпус из-за тока утечки сетевого фильтра.

Холодильник нужно обязательно заземлять, так как это – вторая по частоте причина поражения электрическим током после водонагревателей.

Основы заземления электродвигателя

Почти половина всех электроустановок оснащена электродвигателями, преимущественно моторами переменного тока.
Компрессорные двигатели отличаются большим количеством проводов в статорной и роторной обмотках. Провода имеют очень тонкую изоляцию из лака или эмали, которая легко повреждается.

Вследствие этого поломка электродвигателя часто приводит к поражению электрическим током.

1. Минимальное охлаждение, чрезмерный нагрев катушек.
2. Провод может контактировать с корпусом.
3. После отключения электричества ротор продолжает вращаться и может передать накопленную энергию как на линии, так и на корпус.

Заземление электродвигателей выполняют с помощью рассеивающего контура, подключенного проводами или шиной к клемме на корпусе. Подходящая проводка присоединяется к двигателю по схеме ТТ. При наличии нескольких электродвигателей в помещении каждый подсоединяется к токоведущей шине отдельным проводом параллельно шине; последовательные соединения запрещены.

Для электродвигателей мощностью до 220 В допускается исключение защитного провода при условии установки мотора на металлическом основании, закреплённом с помощью шпилек-костылей, погружённых в грунт на глубину не менее 60 см.

В таком варианте обслуживания электродвигателя требуется полное обесточивание и подключение дополнительного к корпусу выносного заземления. Сначала устанавливают заземляющий контур, затем крепят на корпус мотора. Это универсальное правило подключения всех типов заземлений.

Итоги

Заземление электроустановки предохраняет от ударов тока как со стороны трансформатора, так и остаточного потенциала на линии. Несмотря на недоработки ПУЭ в деталях практических моментов, при работе с электрооборудованием следует руководствоваться правилами, а затем – инструкцией производителя.

Поделитесь своим опытом работы с установкой заземления. Какие трудности возникали при выполнении работ? Как их устраняли? Сохраните эту информацию для дальнейшего использования.