Понятие и принцип действия защитного заземления

Работающие электрические приборы должны иметь заземление. В зависимости от цели оно может быть рабочим или защитным. Первое предназначено для корректной работы устройств, а второе – для защиты людей. Принцип действия одного и второго разный.

Основные цели и задачи заземления

Почва способна нейтрализовать электрический ток, так как степень ее напряжения равна нулю. Сопротивление – это основной показатель заземляющего устройства, по которому можно судить о его качестве и способности выполнять свое предназначение. Удельное сопротивление зависит от состава почвы, наличия в ней химических веществ – кислотных или щелочных, влажности, рыхлости. В зависимости от состава почвы может потребоваться использование какого-либо специального комплекта заземления или же полная замена грунта для корректной работы заземляющих устройств.

Заземление – это соединение какого-либо прибора, электрической установки или части сети с заземляющим устройством. Оно представляет собой заземлитель и заземляющие проводники, по которым ток стекает в грунт и нейтрализуется.

Заземлителей может быть несколько. В распределенной схеме они располагаются по периметру объекта, электрическую сеть которого необходимо обезопасить. Проводящая часть (заземлители) обычно выполняются из металла. К ним подводятся заземляющие электроды, которые имеют непосредственный контакт с почвой.

Заземляющее устройство монтируется по контуру. Контур заземления – это несколько проводников электродов, которые забиваются в грунт. Их длина – 3 метра, располагаются они на небольшом расстоянии друг от друга. В качестве соединения применяется горизонтальная металлическая полоса, которую укладывают в почву на небольшую глубину – до 1 метра. Соединение с электродами осуществляется с помощью обычной сварки. В специальных заземляющих комплектах части оборудования соединяются резьбой, что никак не влияет на рабочие свойства.

Рабочее заземление необходимо в следующих случаях:

• Защита оборудования от накопления статического электричества. Процессы, происходящие в природе, например, молнии, могут влиять на ток, протекающий в цепи, в результате чего оборудование может быть повреждено. Электроды, установленные в грунте, отводят излишки тока.
• Защита сети от замыканий.
• Защита от перенапряжения.

Пример рабочего заземления – молниеотвод, который присоединен к электродам. Особенно актуально в генераторах, трансформаторах.

Принцип защитного заземления

Защитное заземление – это комплекс мер, которые направлены на защиту оборудования и людей, которые с ним работают. Используется для устранения электромагнитных помех, возникающих из-за работающего рядом устройства, а также для нейтрализации помех при коммутации в цепи питания.

Защита от попадания молнии

Воздушная среда – это участок с большим сопротивлением, но разряд имеет мощность, превосходящую данное сопротивление, поэтому пробивает его. По пути следования из верхних слоев атмосферы к земле молния выбирает участки с наименьшим сопротивлением – мокрые участки, стены, деревья и капли воды. Этим объясняется тот факт, что разряды часто попадают в дерево – оно имеет сопротивление меньше, чем воздух вокруг. При попадании в здание ток также проходит по участкам с наименьшим сопротивлением – это металлические трубы, электрические приборы или их металлические детали, влажные стены. Если устройство не имеет заземления, прикосновение к нему в момент прохождения заряда может быть смертельным.

При установке молниеотвода на крыше заряд попадает в него, а далее движется в землю и нейтрализуется. Важно, чтобы токи не распространялись внутрь объекта, поэтому материалы, которые используются для обустройства заземления, имеют низкое сопротивление. По правилам оно не должно превышать показатель в 4 Ом. Сам молниеотвод должен быть соединен с электродами в грунте.

Защита от импульсного перенапряжения

Электронное оборудование чувствительно к скачкам напряжения или работающим в их радиусе мощным электрическим установкам. Повредить электронику может внезапно возникший разряд молнии вблизи.

В качестве примера: во время грозы может возникнуть избыточный заряд в медном кабеле, которыми соединены дома и по которым проходит ток. Заряд при увеличении его размера способен разрушить кабель. В этом случае на линии питания ставится УЗИП – устройство защиты от импульсного перенапряжения, чтобы избыток заряда стравливался в грунт.

Защита людей

Корпуса приборов, все металлические элементы способны проводить ток. Если коснуться незаземленного прибора, в котором накопилось статическое электричество, можно получить сильный удар. Это отразится прежде всего на сердечно-сосудистой и нервной системе. Снизить удар помогает резиновая обувь, прорезиненные перчатки, абсолютно сухое помещение, но люди редко ходят по квартире или офису в резиновых сапогах. Подключение третьего провода к корпусу приборов, а затем соединение его с электродами позволяет утилизировать в грунт лишний ток.

В старых частных и многоквартирных домах заземляющие мероприятия не проводились, поэтому все электрические приборы представляют потенциальную опасность для людей.

Самодельные устройства могут выглядеть следующим образом: к корпусу прибора подсоединен провод, который выводится на улицу и соединяется с вбитым в землю металлическим изделием (труба, уголок, ведро, арматура). Эти изделия являются хорошими проводниками тока, в отличие от человеческого тела, поэтому ток выбирает металл и уходит в грунт.

Отличие рабочего заземления от защитного

Рабочее и защитное заземление по правилам техники безопасности не должно совмещаться водной схеме. При атмосферных разрядах электрические приборы могут повредиться, при этом защитное заземление не сработает.

В схеме функционального (рабочего) заземления все токонесущие конструкции соединяются с электродами, установленными в грунте. Для корректной работы рабочего заземления используются также предохранители, которые принимают напряжение на себя и выходят из строя.

Рабочее заземление оборудуется в том случае, если к приборам прилагается указание производителя и требования, которые защищают данное устройство.

К защитному заземляющему устройству предъявляется больше требований, так как оно имеет более важные задачи: сохранение жизни людей.

Самое надежное заземление предусмотрено в схеме электросети дома. Кабели, которые подходят к каждой розетке, должны быть трехжильными. Третья жила соединяется с землей и отводит статическое электричество, а также предотвращает короткие замыкания и попадание молнии внутрь здания.

Требования к защитному заземлению

Чтобы заземляющие установки выполняли свои функции, они должны соответствовать определенным параметрам и указаниям производителя оборудования.

Нюансы, которые влияют на функционал:

• Сопротивление грунта из-за его физико-химических особенностей. Лучше всего проводит ток влажная глина, графитовая крошка, торф, солончаки или морская вода. Хуже – сухой песок или твердые породы – гранит, щебень, кварц, асфальт, бетон.
• Площадь контакта заземлителя с почвой. Чем больше площадь, тем более благоприятные условия создаются для перетекания тока, тем быстрее это происходит. Увеличить площадь можно, установив большее количество электродов по контуру здания. В этом случае их соединяют вместе стальной пластиной в единое целое. Если увеличить размер одного электрода, общая площадь также увеличится. Увеличить площадь помогает установка вертикального металлического контура, если нижние слои грунта имеют большее сопротивление, чем поверхностные.

Поскольку добиться идеального сопротивления почвы трудно, устройства создаются исходя из ее характеристик. Для каждой электрической установки существуют свои нормы сопротивления заземлительных устройств. Например, для электрической подстанции с напряжением более 100 кВт сопротивление не должно быть больше 0,5 Ом, а для домашней сети с системой ТТ, а также применением автоматического отключения – до 500 Ом.

Заземлители из металла не должны покрываться лакокрасочными материалами. Иногда в качестве заземляющего устройства используется подземная часть здания с металлическими конструкциями – электропроводящий бетон с арматурой внутри. Нельзя использовать газовые металлические трубы для решения проблемы заземления.

Согласно Правилам устройства электроустановок заземлению подлежат:

• Сети, напряжение которых выше 380 В.
• Особо опасные и наружные установки.

Части оборудования, подлежащие занулению и заземлению:

• Корпуса электрического оборудования.
• Вторичная трансформаторная обмотка.
• Приводы электрических приборов.
• Распределительные щиты, каркасы шкафов.
• Металлические конструкции оборудования.
• Железная оболочка кабеля.

Если напряжение не превышает 42 В переменного тока или 110 В постоянного, заземление не требуется.

Бытовое заземление

Большая часть несчастных случаев в бытовых условиях связана с касанием прибора, который имеет повреждение изоляции. Тело человека в данном случае является проводником тока. Электрические варочные плиты, стиральные и посудомоечные машины, радиаторы отопления, микроволновки, бойлеры, ПК, мойки для посуды – все это металлические конструкции, которые хорошо проводят ток и без заземления могут причинить вред здоровью.

Короткое замыкание – это соприкосновение фазного и нулевого провода в сети, что приводит к срабатыванию аварийной защиты и отключению прибора от питания. Чаще всего происходит не короткое замыкание, а утечка тока, который накапливается в корпусе бытового оборудования. Это может привести к поражению электричеством.

Для безопасности человека необходимо устанавливать розетки с заземляющими контактами. К розетке должен быть подведен трехжильный кабель. При двухжильной и трехжильной системе заземление оборудуется по-разному – от распределительной коробки или электрического щитка.

В качестве заземлителя нельзя использовать газовые, водопроводные или трубы централизованного отопления.

Работа заземления при неисправностях электрооборудования

Под неисправностью оборудования подразумевают повреждение изоляции и возникновение фазы в корпусе прибора. Если части оборудования находятся под напряжением, но не имеют защиты в виде заземления и УЗО, человек, не подозревающий об опасности, может получить удар током.

Во втором варианте утечка тока может быть не значительной, устройство защиты оборудования не среагирует на напряжение и не отключит прибор. Человек может получить незначительный удар.

Если корпус не заземлен, но УЗО установлено, оно сработает через 0,02 секунды после прикосновения человека к корпусу прибора. Этого времени не достаточно для нанесения вреда здоровью.

Самой эффективной с точки зрения безопасности схемой является наличие заземления и УЗО. При возникновении утечки тока и переходе его в грунт УЗО реагирует и отключает прибор.

Как производится расчет параметров основных заземляющих элементов

Расчет параметров заземляющего устройства выполняется по формулам. Исходными элементами являются:

• сопротивление грунта на данном участке;
• длина, толщина, диаметр электродов, а также их количество.

На практике во всех случаях бывают расхождения с намеченным планом работ, так как показатель почвы необходимо анализировать более точно. Сделать это практически невозможно: на 100 квадратных метрах необходимо пробурить около 100 мини шахт глубиной до 10 м, чтобы оценить слои почвы, ее состав и включения элементов – глины, известняка, песка и других компонентов.

Установку заземляющих устройств проводят по главному принципу заземления: наличие запаса прочности, имея усредненные значения параметров. Чем ниже получается сопротивление, тем лучше для всех электрических приборов и людей.

Установка заземлителей

Вертикальные электроды более эффективно выполняют свои функции, так как их можно установить на большую глубину. При горизонтальной укладке на небольшую глубину сопротивление увеличивается, особенно в зимний период, когда верхние слои грунта промерзают.

Для электродов применяют штыри, длина которых более 1 метра (обычно 1,5 м). Такие конструкции легко забить в грунт с помощью обычного молотка, соединение выполняется в горизонтальной плоскости не менее 0,5 м в глубину.