Зануление принцип действия: Зануление — принцип действия и область применения

Содержание

Зануление — принцип действия и область применения


Помимо заземления, обеспечивающего защиту от короткого замыкания, имеется также процедура зануления, которая кардинально отличается. Это специализированное соединение электрических частей открытого типа, имеющих отношение к силовым установкам, рабочим состоянием для которых является отсутствие напряжения, с глухозаземленной нейтралью генерирующих или преобразующих устройств, что особенно характерно для трехфазного тока. Также возможно сопряжение с глухим заземлением на выходе из источника с одной фазой или такой же точкой в сетях с постоянным током. Единственной целью данного действия является обеспечение высшей степени безопасности рабочего персонала на потенциально опасных объектах.

Зануление, сооружаемое с целью защиты, часто является единственной мерой защиты на электрических установках мощность до 1 киловольта, но только при условии наличия в них глухозаземленной нейтрали.

Основной принцип работы

Зануление заключается в том, что при наличие фазового перехода между корпусом (пробивается фаза), то происходит КЗ. В этом случае сила тока имеет огромные значения, что вызывает срабатывание защитных вспомогательных приборов. Неисправный прибор при этом быстро обесточивается. Если ПУЭ сработает без зануления, то тогда сети будет нанесён очень сильный ущерб. Просто автоматика не успеет выключить всё быстро. А так происходит выигрыш, иногда до 1 секунды. Этого достаточно, чтобы КЗ не сожгло всю проводку на объекте и в оборудовании.

Процедура может быть проведена только на базе специализированных проводников, где жила имеет точное расчётное сопротивление. В однофазной сети нужно использовать трехжильные провода, чтобы добиться успеха. Также можно с этой целью использовать третий провод.

Чтобы вовремя отключить петлю типа «фаза-ноль» и снизить её сопротивление, нужно предварительно проектировать данную систему, иначе зануление потеряет свою эффективность.

Быстрое обесточивание линий электроснабжения не является единственной мерой. Нейтраль имеет глухое заземление, поэтому при касании корпуса человек может почувствовать только неприятное пощипывание. Это строго необходимая мера для всего промышленного оборудования. Зануление сильно отличается от заземления, эти два процесса нельзя сравнивать. Данная мера очень эффективна, известны случаи, когда люди выживали при касании неисправного оборудования, работающего от 10000 вольт.


Главные ошибки в организации

Некоторые люди, далекие от сферы электрификации, думают, что заземление нужно выносить на отдельный провод, который не сопряжен с нулевым проводником электрической сети, но это неверно. Они просто пренебрегают сопротивлением бесконечного длинного проводника, которые идёт от раздающей электрической установки потребителя к ближайшей КТП. Это неверно, ведь если сопротивление заземления будет ниже, чем у нулевой жилы, то тогда весь ток при КЗ пойдёт на корпус, а это приведёт к известным печальным последствиям. Опасный потенциал будет искать наиболее кратчайший и простейший путь для распространения. Поток электронов пойдёт туда, где сопротивление будет значительно меньше. Чем большее время будет обеспечено для срабатывания ПУЭ, тем лучше будет работать вся система. Некоторые владельцы собственного бизнеса даже раскошеливаются на проводники, состоящие из смеси серебра и меди, чтобы снизить сопротивление на порядок, а также гарантировать 100% срабатывание.

Сейчас многие владельцы производственных линий разбалованы современными УЗО. Они полностью списывают на эти устройства всю ответственность, что делать запрещено. Серьезность отношения к процедуре зануления была очень велика в советское время. Тогда вообще запрещалось делать без этой меры подключение любого промышленного оборудования по системе ТТ. Именно этим и поясняется столь малое количество несчастных случаев на производстве, связанных с электричеством. Когда всё возложено на УЗО, то это также хорошо работает, но шанс получить удар током всегда есть. Лучше делать двойную защиту.

Где купить товары для зануления

Все необходимые приспособления вы можете приобрести прямо сейчас в нашем интернет-магазине «ПрофЭлектро». Мы являемся признанными экспертами в сфере создания систем электрификации бытового и промышленного назначения. Поэтому наш ассортимент состоит далеко не только из розеток, выключателей и проводов. У нас также имеется множество сопряженного оборудования, инструментов и вспомогательных аксессуаров, необходимых профессиональным электрикам для ежедневной работы. Всё тщательно проверяется нашими специалистами на предмет соответствия заявленным характеристикам и наличие фабричного брака перед отправкой. Доставка возможна в любую точку России.

Защитное зануление электроустановок, назначение, принцип действия, схема заземления

Автор Фома Бахтин На чтение 3 мин. Просмотров 7.4k. Опубликовано Обновлено

 

Зануление – это специально предусмотренное электрическое подключение открытых токопроводящих частей потребителей электроэнергии:

  • к нейтральной точке генератора (трансформатора) в сетях трехфазного тока,
  • к глухозаземленныму выводу сети однофазного напряжения,
  • к заземленной точке источника постоянного тока.

Такое подключение выполняется в целях обеспечения электробезопасности человека.

Для обеспечения подключения незащищенных от прикосновения токопроводящих частей электропотребителей к нейтральной точке источника электроэнергии предусмотрено применение нулевого защитного проводника.

Нулевой защитный проводник (обозначается PE – проводник для системы TN – S) – токопроводящая цепь, соединяющая открытые токопроводящие поверхности и глухозаземленную нейтральную точку на источнике питания в трехфазных сетях или заземленный вывод однофазной сети, или заземленную среднюю точку источника постоянного тока.

Следует различать понятия нулевого защитного проводника и нулевого рабочего или PEN – проводника. Рабочий нулевой проводник (обозначается, как N – проводник для системы TN – S) – это провод в электропотребителях напряжением до 1 кВ, применяемый для обеспечения электропитания, который соединен с глухозаземленным нейтральным выводом на генераторе или трансформаторе в сетях трехфазного тока, либо с глухозаземленной точкой на источнике однофазного тока, либо с глухозаземленным выводом на источнике в сети постоянного тока.

На практике допускается применение совмещенного (обозначается, как PEN – проводник для системы TN– C) нулевого защитного и нулевого рабочего проводника. Его роль выполняет цепь в электропотребителях напряжением до 1 кВ, совмещающая нулевой защитный и нулевой рабочий проводник. Использование зануления требуется для осуществления защиты человека от воздействия электрического тока при его прикосновении к токоведущим поверхностям за счет быстрого снижения напряжения на корпусе электропотребителя относительно земли, сопровождаемого быстрым отключением электроустановки от питающей сети

Зануление электроустановок

Обязательное защитное зануление необходимо выполнять на:

  • электроустановках напряжением питания до 1 кВ (трехфазные сети переменного тока, имеющие заземленную нейтраль). Чаще всего это сети переменного тока напряжением 380/220, реже – 660/380 В;
  • электроустановках напряжением питания до 1 кВ (однофазные сети переменного тока, имеющие заземленный вывод). Напряжение, как правило – 220 вольт;
  • электроустановках постоянного тока с напряжением до 1 кВ в сетях, имеющих заземленную среднюю точку источника.

Физически зануление осуществляется специальным проводом, имеющим надежный электрический контакт с открытыми токоведущими поверхностями электропотребителей.

Принцип действия защитного зануления

В случае замыкания фазного провода на корпус электропотребителя, имеющий зануление, возникает электрическая цепь тока с коротким замыканием (происходит замыкание фазного и нулевого защитного проводников). Появление тока короткого замыкания приводит к срабатыванию токовой защиты. Как следствие, происходит отключение такой электроустановки от электропитающей сети. Попутно, до наступления срабатывания автоматической токовой защиты обеспечивается снижение напряжения на поврежденном корпусе относительно земли. Это связано с наличием защитного действия повторного заземления на нулевом защитном проводнике и перераспределения напряжений в сети вследствие протекания тока в короткозамкнутой цепи.

Принципиальная схема зануления

Рассмотрим схему заземления:

Мы искренне надеемся, что наша статья помогла вам понять определение заземления, его назначение и принцип действия.

Зануление и заземление. В чем разница между ними?


Рабочее и защитное заземление


Зануление и заземление


Защитное зануление: устройство, назначение, принцип действия

Зануление, применяемое в электросетях, подразделяется на рабочее и защитное. Если рабочее зануление, согласно п. 1.7.33 ПУЭ (см. Главу 1.7), выполнено посредством рабочего проводника N и имеет электрическую связь с такими элементами электросети, как глухозаземленная нейтраль генератора или трансформатора (трехфазная сеть), с глухозаземленным выводом источника (однофазная сеть постоянного тока), с глухозаземленной точкой источника (однофазная сеть постоянного тока), то защитное зануление выполнено посредством защитного проводника PE и имеет электрическую связь с этими же элементами электрической сети, что и рабочее зануление. Рабочее зануление предназначено для обеспечения процесса электроснабжения, а защитное выполняет функции электробезопасности (п. 1.7.34 ПУЭ) или «защитного заземления». В различных случаях для защиты от действия электрического тока может применяться либо защитное зануление либо защитное заземление. Так, например, последнее применяется для защиты от действия электрического тока при косвенном прикосновении (п.1.7.51 ПУЭ). В этой статье мы подробно рассмотрим, что такое зануление, для чего оно нужно и как работает.

Принцип действия

Работа защитного зануления и защитного заземления отличаются тем, что при занулении, если на корпусе оборудования появляется опасный потенциал, то может случиться короткое замыкание. Под действием тока короткого замыкания в несколько раз большего по значению, чем номинальный ток сети, срабатывает предохранитель или другой защитный аппарат. При защитном заземлении поражающее действие электрического тока нейтрализуется снижением величины напряжения прикосновения (и напряжения шага) до безопасного значения. Поврежденный бытовой электроприбор или электрооборудование, не имеющие защитных зануления или заземления, могут долгое время находиться под напряжением и стать опасными для человека в момент касания или при приближении к оборудованию на опасное расстояние.

Как сказано выше, при попадании фазы на корпус прибора, который выполнен из металла и соединен с нулевым защитным проводником, происходит короткое замыкание. Величина тока короткого замыкания больше в несколько раз величины номинального тока. Под его воздействием срабатывают аппараты защиты. Вследствие этого отключаются электрические линии, подключенные через защитный аппарат.

Площадь сечения проводников следует выбирать исходя из требований соответствующих глав ПУЭ. Для защитных проводников ПУЭ (п. 1.7.5) определяет зависимость их сечения от сечения фазных проводников. Так для площадей сечений проводников фазы, меньших 16 мм

2, размер площади сечения защитного проводника равен площади сечения защитного проводника. Если площадь сечения фазного проводника находится в диапазоне от 16 до 35 мм2, то площадь сечения защитного проводника равна 16 мм2 и если площадь сечения фазного проводника больше 35 мм2, то площадь защитного проводника выбирается в 2 раза меньше. Также площадь сечения можно рассчитать самостоятельно на основании этого же пункта ПУЭ. Главное условие выбора – обеспечить быстродействие, которое рассчитывается по формуле:

S≥ I*√t/k,

В этой формуле отражена прямая зависимость значения площади поперечного сечения защитного проводника (S) от значения тока короткого замыкания, при котором обеспечивается быстродействие защитных аппаратов в соответствии с табл.1.7.1 ПУЭ и 1.7.2 ПУЭ или за время не более 5 с в соответствии с 1.7.79 ПУЭ и значения времени срабатывания защитного аппарата (t). Обратная зависимость от значения коэффициента, который определяется материалом защитного проводника, его изоляции, начальной и конечной температурами проводника. Значение k для защитных проводников в различных условиях даны в табл.1.7.6-1.7.9 ПУЭ.

Схема ниже повторяет ранее указанный принцип действия и применение системы защитного зануления.

Назначение такого устройства обеспечить быстрое отключение неисправного электрооборудования от электропитания, тем самым нейтрализовать поражающее действие электрического тока при касании человеком неисправного прибора.

Схема работы системы зануления в случае пробоя изоляции, изображена ниже:


Узнать, в чем разница между занулением и заземлением, вы можете из нашей статьи!

Область применения

Защитное зануление применяется в трехфазных сетях переменного тока и однофазных сетях переменного и постоянного тока, уровень напряжения которых до 1000 В.

Если электрическая сеть трехфазная переменного тока и уровень напряжения составляет 660/380В, 380/220В или 220/127В, то заземляется нулевой проводник – сеть типа TN.

Если сеть однофазная переменного тока, то защитное зануление применяется при условии, что заземлен вывод сети.

Если сеть однофазная постоянного тока, то защитное заземление используется, если заземлена средняя точка источника электрической энергии.

Защитное зануление может выполняться как с помощью РЕ проводников, так и с помощью совмещенного РЕN проводника. Применение того или иного вида защитного зануления зависит от того, какая система заземления используется в электроустановке и какой величины площадь сечения питающих кабелей.

Согласно п 1.7.131 ПУЭ, может объединяться функционал нулевого защитного и нулевого рабочего проводников при условии, что они используются в многофазных цепях в системе TN и проложены стационарно. При этом должны соблюдаться требования по обеспечению площади поперечного сечения жил проводников, изготовленных из разных материалов. Жилы медных кабелей должны иметь площадь поперечного сечения не менее 10 мм2, жилы алюминиевых кабелей – не менее 16 мм2.

П.1.7.132 ПУЭ запрещает в цепях однофазного и постоянного тока совмещать функционал нулевого защитного и нулевого рабочего проводников. Для защитного зануления используется отдельный третий проводник – исключением является ответвление от ВЛ напряжением до 1 кВ к однофазным потребителям электроэнергии.

Назначение

Защитное зануление применяется в качестве защиты от поражения электрическим током при эксплуатации электрооборудования различного назначения – бытового, производственного.

На рисунке выше нулевой защитный проводник системы TN-S обозначен PE. Показана токопроводящая цепь, соединяющая открытые токопроводящие поверхности и глухозаземленную нейтральную точку на источнике питания в трехфазной сети. Данная схема отражает назначение защитного нулевого проводника при заземлении нулевого защитного проводника в системе TN-S, когда применяется отдельный защитный проводник.

Если зануление применяется в системе TN-C, то схема будет выглядеть следующим образом:

В этом случае нулевой рабочий и нулевой защитный проводники объединены в одном PEN-проводнике.

А в этой трехфазной сети нулевой защитный проводник РЕ отделен от PEN проводника на вводе в электроустановку:

В системе постоянного тока заземляется средняя точка источника – рисунок ниже:

1 — заземлитель нейтрали (средней точки) в сети постоянного тока; 2 — открытые токопроводящие элементы сети; 3 — источник питания постоянного тока.

Во всех рассмотренных случаях защитный нулевой проводник выполняет защитную функцию, а в случае совмещения с рабочим проводником N в системе TN-C и функцию рабочего нулевого проводника.
Рекомендуем напоследок просмотреть полезное видео по теме:

Вот мы и рассмотрели устройство, принцип действия и назначение защитного зануления. Надеемся, теперь вам понятно как работает данная система и для чего она нужна.

Будет полезно прочитать:

Что такое зануление?

 

1. Описание

Сегодня нашу жизнь трудно представить без ежедневной эксплуатации всевозможных электрических приборов. Однако, практическое использование тока небезопасно без защитных систем. Возможны случаи, когда защитные устройства (пробки, автоматы и др.) могут не сработать, в результате чего происходит повреждение внутренней изоляции и возникает повышенное напряжение на металлическом корпусе оборудования. Для защиты человека от возможного поражения электрическим током в процессе эксплуатации электроприборов и бытовой техники, разработаны всевозможные защитные мероприятия, к числу которых относится и зануление. Данная статья написана с целью объяснить читателю, в чём заключается особенность зануления, как способа защиты электросетей, в каких случаях применятся и чем отличается от защитного заземления.

Зануление используют для обеспечения электробезопасности систем с PEN, PE или N проводниками. К ним относят сети с глухозаземленной нейтралью: TN-C, TN-S и TN-C-S. Основное различие в организации зануления для указанных систем состоит в схеме соединения нулевых защитных и рабочих проводников.

Система зануления TN-C

Система зануления TN-C на сегодняшний день относится к устаревшей, так как преобладает в зданиях старого жилого фонда. Для нее характерно наличие совмещенного по всей длине нулевого защитного и нулевого рабочего проводника PEN. Используется для электроснабжения в трехфазных сетях. Запрещена для групповых и распределительных однофазных сетей. Данная система достаточно проста в организации, однако не обеспечивает достаточного уровня электробезопасности, что делает невозможным ее применение при строительстве новых зданий.

Система зануления TN-C-S

Представляет собой улучшенный вариант системы зануления TN-C для обеспечения электробезопасности в однофазных сетях. В точке разветвления трёхфазной линии на однофазные совмещенный PEN-проводник разделяют на PE- и N-проводники, подводя их к однофазным потребителям. Данная система зануления, при относительно небольшом удорожании, отличается более высоким уровнем безопасности.

Система зануления TN-S

Считается наиболее совершенной и безопасной схемой зануления. Принцип действия основан на разделении по всей длине нулевого защитного и нулевого рабочего проводников. К нулевому защитному проводнику PE присоединяют все металлические элементы электроустановки. Во избежание повторного заземления устраивают трансформаторную подстанцию, имеющую основное заземление.

Электробезопасность при занулении

Используя схему защитного зануления важно учитывать, что ток при коротком замыкании должен достигать значения, достаточного для срабатывания электромагнитного расцепителя автоматического выключателя или плавления вставки предохранителя. В противном случае ток замыкания свободно будет протекать по электрической цепи, что приведет к увеличению падения напряжения на каждом элементе электрической цепи и на всех зануленных элементах электроустановки до величины, при которой вероятность поражения током от корпуса прибора многократно возрастет. Получается, что надежность системы зануления определяется по большей части надежностью используемого нулевого защитного проводника, к которому соответственно предъявляют повышенные требования см. пункты 1.7.121 – 1.7.126 ПУЭ-7. Тщательно проложенный нулевой провод должен отличаться окраской в виде желтых полос по зеленому фону. Кроме того, необходимо постоянно осуществлять контроль за исправностью его состояния. К нулевому проводу запрещается монтировать средства защиты электроустановок, которые при срабатывании могут привести к его повреждению. Соединения нулевых проводов между собой и с металлическими элементами электроустановки, доступными для прикосновения пользователям, должны гарантировать надежный контакт и иметь возможность для осмотра см. пункт 1.7.39, 1.7.40 ПУЭ-7. Значение сопротивления в болтовом соединении с частями электроустановки не должно превышать 0,1 Ом. Контроль за сопротивлением петли “фаза-нуль» осуществляют на этапе приемо-сдаточных работ, при капитальном ремонте и реконструкции сети, а так же в установленные в нормативно-технической документации сроки. Измерения в отключенной электроустановке проводят с помощью вольтметра-амперметра. Кроме того, постоянному контролю подлежит значение сопротивления заземления нейтрали и повторных заземлителей, зависимость времени действия автоматических устройств защиты от тока короткого замыкания.

Для уменьшения удара током, в случае обрыва нулевого провода, рекомендуют выполнять повторные заземления сопротивлением не более 30 Ом через каждые 200 м линии и опор, для чего преимущественно используют естественные заземлители.

2. Нормирование зануления

Технические требования к организации систем защитного зануления определены следующими документами:

  • Правила устройства электроустановок (ПУЭ), глава 1.7,
  • ГОСТ Р 50571.5.54-2013 (пункт 543),
  • ГОСТ 12.1.030-81 (пункт 7).

Механизм зануления основан на автоматическом отключении поврежденного участка сети, время которого не должно превышать значений согласно пункту 1.7.79 ПУЭ-7.

Наибольшее допустимое время защитного автоматического отключения для системы TN

Номинальное фазное напряжение Uo, В Время отключения, с
127 0,8
220 0,4
380 0,2
более 380 0,1

 

Нулевой рабочий и защитный проводники должны обладать сопротивлением, достаточным для срабатывания защиты. Активные и индуктивные сопротивления проводников образуют полное сопротивление петли «фаза-ноль». Активные сопротивления проводников зависят от их длины, удельного сопротивления материала и сечения. Индуктивные сопротивления различают для проводников из меди и стали. В стальном проводе они находятся в обратной зависимости от плотности тока и отношения периметра к площади сечения проводника. Индуктивные сопротивления стальных проводников выше, чем медных. В пункте 1.7.126 ПУЭ-7 установлены наименьшие площади поперечного сечения защитных проводников для случаев, когда они изготовлены из того же материала, что и фазные проводники. Сечения защитных проводников из других материалов должны быть эквивалентны по проводимости приведенным.

Наименьшие сечения защитных проводников

Сечение фазных проводников, мм2 Наименьшее сечение защитных проводников, мм2
S ≤ 16 S
16 < S ≤ 35 16
S > 35 S/2

 

Двухпроводная линия, состоящая из рабочего и защитного проводников, образует один большой виток, сопротивление взаимоиндукции которого (рекомендуемое значение для расчётов — 0,6 Ом/км) зависит от длины линии, диаметра проводов и расстояния между ними. Сопротивление заземления нейтрали источника питания не должно превышать 2, 4 и 8 Ом соответственно при линейных напряжениях 660, 380 и 220 В источника трехфазного тока см. пункт 1.7.101 ПУЭ-7. Увеличение тока короткого замыкания достигают путем понижения сопротивления трансформатора и петли, для чего используют схему треугольник-звезда. Обмотки мощных трансформаторов и так имеют не большое сопротивление. Меньшее сопротивление линий зануления достигают выполняя их короткими и простыми, увеличивая сечение проводников, заменяя стальные проводники на изготовленные из цветных металлов с малым индуктивным сопротивлением. Наибольшее сопротивление нулевого защитного провода не должно превышать удвоенного сопротивления фазного провода. Сокращая расстояние между ними, снижают внешнее индуктивное сопротивление. Уменьшение сопротивления повторных заземлителей и приближение их к узлам нагрузки, способствует понижению силы тока на зануленных частях оборудования. Соединение с нулевым проводником всех заземленных металлические конструкций здания повышает потенциал поверхности пола, на котором стоит человек, и тем самым значительно снижает напряжение его прикосновения до величины, примерно равной от 0,1 до 0,01 Uз.

3. Применение зануления

Зануление выполняют на промышленных объектах, часто с расположенным в здании источником питания (генератором или трансформатором), для обеспечения безопасности эксплуатации электроустановок различного назначения и повышения помехоустойчивости при их работе. Согласно требованиям пункта 1.7.101 ПЭУ-7 зануление электроустановок следует выполнять: — при напряжении 380 В и выше переменного тока и 440 В и выше постоянного тока — во всех электроустановках; — при номинальных напряжениях выше 42 В, но ниже 380 В переменного тока и выше 110 В, но ниже 440 В постоянного тока — только в помещениях с повышенной опасностью, особо опасных и в наружных установках. Все электрооборудование промышленных объектов выводят на общий контур заземления и соединяют между собой металлической заземляющей шиной. Полный перечень частей, подлежащих занулению, представлен в главе 1.7 Правил устройства электроустановок (ПУЭ-7). Там же приведен список электрооборудования, преднамеренное зануление которого не требуется. Для электрозащиты объектов жилого фонда зануления практически не применяют. В новостройках заземление организованно централизованно. Современные электроприборы имеют вилку с тремя контактами. Один из контактов подключен к корпусу. Заземление для отдельно взятой квартиры состоит в присоединении к заземлителям корпусов и частей бытовых приборов. Потребность в занулении в таком случае отпадает. Дома старого жилого фонда, как правило, подключенные по системе TNC, могут и вовсе не иметь заземления. Модернизацией электросетей подобных домов должна заниматься специализированная электротехническая компания. Однако, зачастую сами жильцы таких домов прибегают к обустройству запрещенного в данном случае зануления, что является совсем не безопасным способом электрозащиты для жилого сектора. Требования к организации системы защитного зануления, как уже говорилось, определены в нормативных документах. Однако в процессе реализации данного способа защиты электросетей, нередко допускаются ошибки, препятствующие его прямому назначению. Ошибочно мнение о том, что лучше выполнять заземление на отдельный от нулевого проводника контур, ввиду отсутствия сопротивление длинного PEN-проводника от электроприбора до заземлителя подстанции. Однако на деле, сопротивление заземления оказывается гораздо большим, чем у длинного провода. При попадании фазы на заземлённый указанным способом корпус установки, ток замыкания может быть недостаточным для срабатывания автоматических средств защиты электросети. В данном случае напряжение на корпусе достигает опасной для пользователя величины. Даже при применении автоматического выключателя небольшого номинала, не удается обеспечить требуемое ПУЭ время автоматического отключения повреждённой линии от сети.

4. Отличие зануления от заземления

По своему назначению заземление и зануление во многом похожи – обеспечивают защиту пользователя электроустановки от поражения электрическим током. Однако способы и принцип организации такой защиты различны. Обеспечение электробезопасности сетей с использованием системы зануления подробно рассмотрено в предыдущих разделах статьи. Действие защитного заземления основано на принудительном соединении электроустановок с землей с целью снижения напряжения прикосновения до безопасной величины. Избыточный ток, поступающий на корпус электроустановки, отводится напрямую в землю (по заземляющей части). В качестве заземлителя устанавливают заземляющий контур треугольной конфигурации, сопротивление которого должно быть меньше, чем на остальных участках цепи. Отличие зануления от заземления состоит в следующем:

  • в способе обеспечения защиты электрических сетей: заземление -снижает напряжение прикосновения, зануление — отключает поврежденную электроустановку от сети, что практически исключает удар током и, с этой точки зрения, является более эффективным средством защиты для использования на промышленных предприятиях. Однако, если говорить о надежности защиты в процессе эксплуатации, то зануление уступает заземлению по причине большей вероятности повреждения целостности нулевого провода и возможного изменения сопротивления петли «фаза-нуль».
  • системами применения: заземление используют исключительно для защиты сетей с изолированной нейтралью (системы TT и IT), зануление — в сетях с глухо заземленной нейтралью TN-C, TN-S и TN-C-S, где присутствует PEN, PE или N проводники.
  • по типу обустройства: с точки зрения простоты и доступности обустройства, зануление представляет собой более сложный и трудоемкий способ защиты, требующий технических знаний и навыков для правильного определения способа и средней точки зануления. В случае защитного заземления соединяют отдельные детали токоприемника с землей, для чего достаточно применение инструкций к электроприборам.

5. Заключение

Роль зануления при работе с электроустановками на промышленных предприятиях трудно переоценить. Отключая поврежденную установку от сети в случае пробоя изоляции, зануление выступает надежным способом защиты человека от возможного поражения электрическим током. Для эффективного обеспечения электробезопасности, необходимо строгое соответствие конструкции элементов системы зануления рассмотренным нормативам, а так же тщательный и постоянный контроль за их состоянием. Использование зануления или заземления зависит от необходимого способа обеспечения защиты различных систем электрических сетей.


Смотрите также:


Смотрите также:

Что такое защитное зануление — схема и принцип работы

Зануление представляет собой специальное подключение открытых металлических частей электрооборудования (электроустановок) к нейтрали. Это относится к металлическим не токоведущим частям оборудования, которые в нормальном (рабочем) режиме не находятся (и не должны находиться) под напряжением. Нейтраль, с которой происходит соединение, должна быть глухо заземлена.

В трёхфазных электрических сетях – это нейтраль генератора или силового трансформатора, в однофазной сети – это глухозаземлённый вывод источника питания.

Нулевым защитным проводником (не путать с нулевым рабочим проводником) является такой проводник, который соединяет металлические занулённые части электрооборудования с глухозаземлённой нейтралью, идущей от генератора или питающего силового трансформатора.

Цель защитного зануления – обеспечить электрическую безопасность в случае короткого замыкания на металлический корпус электрооборудования или электроустановки.

Принцип зануления

Защитное зануление работает следующим образом. Если при поданном электрическом питании происходит попадание фазы (случайное попадание или пробой изоляции фазного проводника) на металлический корпус с занулением, то возникает короткое замыкание, резко увеличивается значение электрического тока и срабатывает аппарат защиты (автоматический выключатель) или перегорает плавкая вставка защитного предохранителя, тем самым обесточивая электрооборудование или электроустановку.

Сопротивление защитного нулевого проводника должно быть очень низким. Это необходимо для того, чтобы обеспечить уровень тока короткого замыкания, достаточный для действия защиты. Т.е. значение тока к.з. должно быть достаточным для того, чтобы сработал защитный аппарат.

Если электрооборудование просто заземлить, то, например, в случае пробоя фазы на корпус ток короткого замыкания может быть недостаточным для того, чтобы сработал автоматический выключатель или перегорела плавкая вставка предохранителя.

Ввиду того, что нейтраль заземлена на генераторе или трансформаторе, благодаря защитному занулению обеспечивается достаточно малое напряжение прикосновения на корпусе. Т.е. защитное зануление можно считать своего рода разновидностью заземления.

Видео — Зануление и заземление — в чем разница?

Схемы защитного зануления

Существует несколько схем, по которым выполняется защитное зануление.

Система TN-C

Достаточно простая система, по которой выполняется защитное зануление. В ней нулевой проводник N и защитный проводник PE по всей длине объединены в один общий проводник PEN. Для реализации защитного зануления по системе TN-C необходимо соблюдать очень высокие требования к системе уравнивания потенциалов, а также к размеру поперечного сечения совмещённого PEN-проводника.

Зануление по системе TN-C применяется в трёхфазных электрических сетях, а в однофазных сетях такое зануление категорически запрещено.

Система TN-C-S

Данная система представляет собой соединённые N и PE проводники в части сети, начиная от электрического источника питания. По данной системе допускается зануление электрооборудования в однофазных сетях.

Область применения защитного зануления

Защитное зануление применяется в однофазных и трёхфазных сетях переменного тока до 1кВ. Сеть должна быть с глухозаземлённой нейтралью.

Проверка эффективности защитного зануления

Суть защитного зануления заключается в том, чтобы в случае короткого замыкания фазы на корпус электрооборудования произошло автоматическое отключение повреждённого участка цепи. Для того чтобы проверить на сколько эффективно выполнено защитное зануление, необходимо измерить сопротивление петли фаза-ноль в самой удалённой от источника питания точке. Это позволит определить, сработает ли аппарат защиты в случае однофазного к.з. на корпус.

Сопротивление петли фаза-ноль измеряется при помощи специальных измерительных приборов. Приборы для измерения петли фаза-ноль имеют два щупа. При измерении один щуп подключается к действующей фазе, а второй – к занулённой части электрооборудования.

В результате замера выясняется значение сопротивления петли фаза-ноль. Зная величину измеренного сопротивления и значение питающего напряжения, по формуле закона Ома для участка цепи можно рассчитать ток однофазного короткого замыкания, расчётное значение которого должно быть больше (или равно) тока срабатывания защитного устройства.

Допустим, для защиты цепи от токовых перегрузок и от коротких замыканий установлен автоматический выключатель, ток мгновенного срабатывания которого равен 100А. Измеренное значение сопротивления петли фаза-ноль равно 2 Ом, фазное напряжение в сети равно стандартному  значению 220В.

Рассчитываем значение тока однофазного короткого замыкания. По закону Ома I = U/R = 220В/2Ом = 110А.

Т.к. расчётный ток к.з. больше чем ток мгновенного срабатывания (отсечки) автоматического выключателя, то защитное зануление будет эффективным. Если бы расчетный ток к.з. получился меньше тока мгновенного срабатывания автомата, то для эффективности защитного зануления пришлось бы или менять автоматический выключатель на устройство с меньшим током срабатывания, или искать решение по уменьшению сопротивления петли фаза-ноль.

Очень часто в расчётах ток срабатывания автоматического выключателя умножается на так называемый коэффициент надёжности Кн или коэффициент запаса. Дело в том, что отсечка автомата не всегда соответствует указанному значению, т.е. может быть некоторая погрешность, для этого и вводится в расчёты указанный коэффициент. Для старых автоматов Кн может равняться, например, 1,25 или 1,4. Для новых современных автоматов он может быть равен 1,1. Это связано с тем, что новые аппараты защиты работают более точно.

область применения и принцип работы

Любое электрооборудование, которое находится в работе (под напряжением) может иметь проводящие металлические части. А уверены ли Вы в том, что по этим частям не пройдет электрический ток, в случае, если изоляция повредится и произойдет короткое замыкание на корпус двигателя. Но бояться не надо, ведь для безопасности в таких случаях и изобрели защитное зануление (ЗЗ).

Защитное зануление – это преднамеренное соединение проводящих частей электроустановки, не находящихся под напряжением в нормальном режиме, с глухозаземленной нейтралью трансформатора или с заземленной точкой источника питания в случае с сетями постоянного тока.

Зануление в разных системах заземления

Рассмотрим зануление в системе TN, систем TT и IT коснемся в другом материале.

Система TN, где T означает, что нейтраль источника питания заземлена, а N – что открытые проводящие части присоединены к нейтрали источника через нулевые проводники.

Существует два нулевых проводника – это PE и N. PE – нулевой защитный проводник (желто-зеленый провод), N – нулевой рабочий проводник (черный провод).

PE – это и есть шина, провод зануления.

У системы TN есть три подсистемы – ТN-С, TN-S, TN-S-C.

Где C означает, что PE+N=PEN, то есть функции нулевого защитного и нулевого рабочего совмещены в одном проводе под названием PEN.

S означает, что PE // N, то есть нулевой защитный и нулевой рабочий на протяжении линии идут по разным проводам. Это самая дорогая и надежная система. Применяется в Великобритании.

S-C – на протяжении линии в одной части функции нулевого защитного и нулевого рабочего совмещены в одном проводе PEN, в другой части они разделены.

Зануление применяется в электрических сетях с глухозаземленной нейтралью постоянного и переменного тока напряжением до 1000В.

Принцип действия защитного зануления

Рассмотрим схематически принцип действия зануления на примере четырехпроводной сети с подключенной однофазной нагрузкой.

Ситуация следующая, фаза, в нашем случае L1 замкнулась в случае пробоя изоляции на корпус. Ток пошел по корпусу через провод зануления. Образовался контур, состоящий из фазы источника питания (трансформатора), цепи фазного и нулевого проводов. Этот контур еще называют петля «фаза-ноль».

Сопротивление петли «фаза-ноль» достаточно мало, вследствие чего, ток возрастает до аварийной величины, что в свою очередь вызывает срабатывание устройства защиты (автомата). После срабатывания автомата, поврежденная линия отключается. Время срабатывания защиты для отключения линии при КЗ на корпус в сетях до 1кВ составляет:

Номинальное фазное напряжение, В Время отключения, с
120 0,8
230 0,4
400 0,2
Более 400 0,1

принцип действия, расчет, отличие от заземления

Открытие электрического тока ознаменовало новую эру в развитие человечества. В настоящее время невозможно представить комфортное существование человека без этого энергоносителя. Без электричества невозможно представить работу промышленных предприятий, строительных организаций, транспорта и так далее. Да и просто жизнь людей скатилась бы без него к средневековому уровню. Но этот вид энергии является надежным слугой человечества, только в том случае, если она будет находиться под неусыпным контролем. Но если этот контроль ослабить, то электричество станет неуправляемой стихией и может нанести огромный вред как человеку, так и материальным ценностям.

Движение электронов в электрической сети идет по пути минимального сопротивления и если не предпринимать защитных мер, то электрический ток может нанести человеку серьезное поражение, вплоть до летального исхода. К тому же, в критических ситуациях электрическая энергия способна воспламенить горючие вещества, что неминуемо приведет к возникновению пожара. Чтобы избежать этих негативных последствий предпринимаются различные меры обеспечения безопасности: автоматические системы обесточивания сети, защитное зануление и заземление. В этой статье мы расскажем, что называется занулением и как такая защита функционирует.

Зануление и его особенности

Ответить на вопрос, что такое защитное зануление, довольно просто, но необходимо знать чем оно отличается от заземления электрооборудования. Точное понимание этих различий позволит избежать многих ошибок при монтаже бытовой техники, различных приборов, станков и другого оборудования, работающего на электрической энергии. Защитное зануление — это подключение металлических корпусов и других деталей промышленного оборудования и различной бытовой техники, которые в рабочем состоянии не должны находиться под сетевым напряжением, к нейтральному (нулевому) проводу системы подачи электроэнергии. Этот провод в какой-то точке должен быть наглухо заземлен.

Важно! Не путайте нейтральный (нулевой) защитный провод с нулевым проводом питающей сети. Это совершенно разные проводники. Для сетей с трехфазной подачей электроэнергии — это нейтральный провод, идущий от силового трансформаторной подстанции или устройства, генерирующего электрическую энергию, для однофазных сетей — это наглухо заземленный провод.

Для чего необходимо занулять некоторые типы бытового и промышленного оборудования? Все очень просто! Главной целью зануления является обеспечение защиты человека от поражения электрическим током в случае КЗ (короткого замыкания) фазы сети на корпус и другие токопроводящие части электрооборудования.

Принцип действия зануления

Принцип действия зануления заключается в следующем процессе. Допустим, фаза питающей сети попала на корпус электрооборудования, что часто происходит в результате пробоя изоляции или других форс-мажорных обстоятельствах. В этом случае, если токопроводящие части устройства имеют защитное зануление, возникает короткое замыкание, при этом величина электрического тока мгновенно достигает максимальных значений и срабатывает автоматическая защита или выгорает предохранитель. Бытовая техника или другое оборудование обесточивается, что защищает человека от поражения электричеством и препятствует возникновению других негативных последствий.

Для того чтобы зануление сработало, нейтральный проводник должен иметь очень низкое значение сопротивления электрическому току. Только в этом случае ток КЗ будет максимальным, что обеспечит срабатывание защитных систем сети. Благодаря тому, что нейтраль имеет полное заземление на генераторе или трансформаторе, защитное зануление обеспечивает очень низкое напряжение на корпусе электрооборудования при прикосновении к нему. По большому счету, защитное зануление — это одна из разновидностей заземления, выполненная с соблюдением определенных правил и норм.

Внимание! Простое заземление электрооборудования не всегда способно обеспечить срабатывание защитных систем сети, так как величины тока КЗ может не хватить для этого. Это значение должно быть максимальным!

Системы и схемы зануления

Существует несколько вариантов выполнения защиты электрооборудования путем зануления металлического корпуса устройства. В этой статье мы рассмотрим два следующих основных способа зануления любой техники, подключенных к трехфазной и однофазной сети подачи электроэнергии.

  1. Трехфазная сеть. Для такого подключения схема довольно проста и выполнить ее не составит труда любому человеку знакомому с основами электротехники. В этом варианте нулевой провод N и защитная линия PE объединены в одну общую шину под названием PEN. Такой метод зануления получил наименование системы TN-C. Для его реализации необходимо строго соблюдать повышенные требования к уравниванию электрических потенциалов, а также к площади сечения объединенного проводника PEN. Для сетей с подачей электроэнергии по однофазной схеме использование системы TN-C категорически запрещено правилами устройства электроустановок (ПУЭ).
  2. Однофазная сеть. Для реализации защитного зануления в однофазных сетях существует способ по системе TN-C-S. При этом методе проводник N объединяется с линией PE только на ограниченном участке сети подачи электроэнергии, начинающимся рядом с основным источником питания. Система TN-C-S хороша для однофазных сетей, но ее ни в коем случае нельзя применять при занулении электрооборудования, работающего в трехфазных сетях электрификации.

Любая система защитного зануления может быть использована только в сетях как однофазных, так и трехфазных, с переменным напряжением не более 1 кВ, к тому же сеть в обязательном порядке должна иметь наглухо заземленную нейтраль. После выполнения работ по защите электрооборудования необходимо выполнить проверку и расчет системы зануления, который следует доверить только специалисту, так как эта процедура предполагает использование специальных приборов. В результате произведенных замеров определяется сопротивление петли нейтраль-фаза, которое должно иметь минимальное значение.

После этого, согласно закону Ома, по которому I=U/R, вычисляется ток КЗ (короткого замыкания) при попадании фазы сети на металлический корпус прибора. Значение этого параметра должно быть на некоторую величину больше, чем порог срабатывания автоматических систем обесточивания электроразводки. В противном случае их нужно менять на устройства с меньшим значением порога срабатывания или выполнять мероприятия по снижению величины сопротивления петли нейтраль-фаза. При расчете тока КЗ следует применять увеличивающий коэффициент надежности Кн, который всегда больше единицы.

Особенности зануления в квартире

У потребителя часто возникает вопрос: что необходимо занулять в квартире, а чего делать не следует? Коротко ответим на этот вопрос. Сначала расскажем чего делать не следует. Зануление в квартире не рекомендуется использовать для изделий, которые заземлены через трубы. К ним относятся металлические ванны, умывальники, смесители и другие предметы, связанные с землей через стальные трубы. В случае зануления этих изделий можно получить поражение электрическим током при включении бытовой техники. Выравнивать потенциалы металлических предметов на кухне, в ванной и туалете следует используя заземление.

Все бытовые приборы в квартире необходимо занулять. В новых домах эта проблема, как правило, решена, так как нейтраль уже подведена к розеткам, а все современные бытовые приборы имеют вилку с заземляющим контактом. В старых домах электропроводка выполнена по двухпроводной схеме. В этом случае для зануления бытовой техники необходимо завести отдельный провод от квартирного электрического щитка, что позволит занулить оборудование через розетки.

Важно! Зануление бытовой техники в квартире необходимо выполнять с соблюдением правил электробезопасности. Работы следует проводить на полностью обесточенном оборудовании!

Когда следует использовать зануление, а когда заземление

В этой части статьи мы ответим на вопрос в чем разница между заземлением и занулением и в каком случае использовать тот или иной метод защиты человека от поражения электрическим током. Принцип действия защитного зануления похож на функциональные возможности заземления, но между ними есть существенная разница!

Обе системы предназначены для защиты человека от поражения электричеством. Разница между ними в том, что зануление мгновенно обесточивает оборудование, а заземление отводит опасный электрический ток в землю. Вот в этом и заключается вся разница! На ниже приведенной схеме наглядно показаны различия между этими двумя способами.

Какой же метод лучше использовать в каждом конкретном случае? Однозначно ответить на этот вопрос невозможно. Например, в многоэтажных домах создание заземляющего контура — это трудное и затратное мероприятие. Поэтому в большинстве квартир используется защитное зануление, подключаемое к бытовой технике через электрические розетки. В частном доме монтаж заземляющего контура не вызовет затруднений. Каждая из систем защиты следующие преимущества и недостатки.

  1. Заземление в частном доме можно сделать собственными руками, а для зануления необходимы познания в электротехнике, с проведением расчетов и выбора оптимального варианта подключения к нейтральному проводу системы электроснабжения. К тому же зануление перестает работать при обрыве нулевого провода.
  2. В многоэтажных домах устройство контура заземления является сложной задачей, так как необходимо будет выполнить комплекс монтажных работ высокой стоимости. Для квартир  в основном используется принцип зануления бытовых приборов, хотя этому способу защиты человека от поражения электрическим током присущи определенные недостатки.

Исходя из всего вышесказанного следует сделать вывод, что для частного дома лучше выбирать заземление, а для квартиры зануление. Правда, в том случае если объект запитывается от однофазной двухпроводной линии, что характерно для дачных поселков, без контура заземления не обойтись!

Важно! Часто в специальной литературе можно встретить такой термин, как защитное заземление по системе TN-C-S и TN-C. Следует сказать, что это не прямое заземление через специально смонтированный контур, а все то же защитное зануление!

Заключение

Надеемся, что статья помогла вам понять, что такое зануление и заземление, как эти две системы защиты человека от поражения электрическим током работают и какую из них лучше использовать в частном доме, квартире или на даче!

Видео по теме

Основные принципы электрического заземления для электриков и техников

Электрическое заземление

Это обсуждение основных принципов , лежащих в основе систем электрического заземления , и того, как заземление связано с безопасностью и эффективной работой устройств защиты цепей, таких как предохранители и цепи выключатели.

Основные принципы электрического заземления для электриков и техников (фото предоставлено: помните о козе через Flickr)

Обсуждение быстро переходит от базового исследования заземления к простым примерам установки в одном здании и к объектам с несколькими зданиями и сооружениями.Наконец, мы кратко рассмотрим заземление применительно к молниезащите и контролю статического электричества .

Заземление для большинства инженеров, техников и электриков — это простая тема, и ей уделяется мало внимания, кроме осознания того, что что-то требуется. Для кого-то есть площадки, а есть «Чистые земли» .

Рисунок 1 — Высокое сопротивление заземления, безопасно Sally

Тридцать лет назад, когда компьютеры были относительно новыми, существовало множество подходов к заземлению, особенно для электроники и компьютеров.

Некоторые из этих подходов устанавливали так называемую «чистую землю », которая часто была изолирована от заземления .

Многие из этих идей оказались неэффективными, а иногда и опасными для оборудования и персонала. По мере того, как частоты становились все выше и выше, (скорость компьютеров все быстрее и быстрее) усилились исследования в области заземления, экранирования, электромагнитных помех, молниезащиты и статического электричества.

Результатом исследования стало фундаментальных научных знаний, лежащих в основе .Этот предмет не так прост, как когда-то казалось, и нужно четкое понимание основных принципов. Во-первых, «земля» или «заземление» цепи — неправильное употребление. В большинстве случаев этот термин означает заземление или соединение цепи с землей.

На самом деле, это соединение цепи с общей точкой отсчета — для большинства систем, которая является землей .

Основные принципы электрического заземления для электриков и техников, автор John C. Pfeiffer, P.E. Pfeiffer Engineering Co., Inc.

Соответствующий контент EEP с рекламными ссылками

Основы заземления электрических систем

Заземление или заземление — это фундаментальная тема для правильной работы электрических систем и устройств. Однако мало кто понимает этот вопрос или причину его использования.

Заземление — это огромная тема, полная стандартов, практических правил, заблуждений, сюрпризов и некоторого волшебства. Правила заземления довольно сложны и порой кажутся неясными.

В этой вводной статье обсуждаются основные принципы заземления, дается обзор основных приложений заземления и закладывается основа для изучения этих приложений от первого до последнего.

Что такое заземление?

При анализе электроустановок вы часто будете встречать термины «заземление», «заземление» и «заземление». Есть несколько формальных определений этих терминов в разных стандартах и ​​кодексах. Однако, как следует из названия, заземление — это соединение электрической системы, электрических устройств и металлических корпусов с землей.Это также известно как заземление, то есть соединение с землей.

Несмотря на то, что незаземленные электрические системы действительно существуют — либо потому, что они исключены от заземления по правилам, либо по эксплуатационным причинам — большинство массивов так или иначе заземлены.

Является ли земля проводником электричества?

Хотя и не самый лучший, да, заземление — это электрический проводник. Он используется для передачи токов повреждения, сигналов и радиоволн.

Распространение земной волны особенно важно в низко- и среднечастотной части радиоспектра.Есть подземные низкочастотные радиоантенны, которые были разработаны в первые дни 20 века. Это электрическое свойство становится видимым, когда молния проходит от земли и от земли.

Заземление. Изображение любезно предоставлено Pixabay.

Также важно знать, что иногда предполагается, что земля как проводник имеет нулевой потенциал и используется в качестве эталона при многих измерениях напряжения.

Заземление энергосистемы очень важно, так как большинство неисправностей связано с заземлением.Кроме того, он играет основную роль в защите своих компонентов, а также в обеспечении безопасности оператора. Для крепления электрической системы к земле используются различные методы заземления. Давайте теперь посмотрим на каждый тип.

Заземление системы

Заземление системы относится к пределу определенных значений напряжения на землю в каждой части электрической системы. Он соединяет токоведущую точку электрической системы с землей, т.е.е. нейтраль трансформаторов и вращающегося оборудования, а также линий.

Заземление нейтрали

Искусство и наука нейтрального заземления имеют первостепенное значение в этом анализе. Появился выбор методов заземления нейтрали в трансформаторах и вращающемся оборудовании для управления частотой отказов и переходных помех, улучшая непрерывность работы. Основные типы заземления нейтрали:

  • Незаземленный: Заземление не выполняется специально, но система заземлена из-за ее естественной емкости относительно земли
  • Сквозное сопротивление
    • Сопротивление — высокое сопротивление, низкое сопротивление
    • Реактивное сопротивление — высокое реактивное сопротивление, резонансное (также высокое реактивное сопротивление), низкое реактивное сопротивление
  • Сплошной (эффективный)

Заземление нейтрали в большинстве случаев надежное.В этом методе нейтраль поддерживается на уровне земли, что дает следующие преимущества:

  • Ограничивает напряжение, которое будет приложено к изоляции оборудования. Напомним, что материалы, используемые в изоляции, должны выдерживать приложенное напряжение;
  • Ограничивает напряжение системы до земли или корпусов оборудования в нормальных и аварийных условиях, повышая безопасность персонала;
  • Минимизирует возможные переходные перенапряжения;
  • Обеспечивает источник реле тока замыкания на землю, обеспечивая быстрое устранение замыкания.

Другие способы заземления

В системах 600 В и ниже иногда используются другие методы заземления.

  • Заземление линии
    • Трансформатор заземления зигзагообразный
    • Угол дельты
  • Заземление средней фазы

Оборудование и защитное заземление

Люди должны быть защищены, потому что небольшое количество тока, циркулирующего по телу, может привести к серьезным повреждениям или смерти.

Заземление оборудования соединяет все нетоковедущие металлические части системы электропроводки или оборудования с землей. Примеры включают шкаф сервисного оборудования, рамы трансформаторов и двигателей, металлические кабелепроводы и коробки, металлический экран экранированных кабелей, столбы, башни и многое другое.

Заземление оборудования ограничивает напряжение между токоведущими частями и между этими частями и землей до безопасного значения, повышая защиту. Это также обеспечивает быстрое устранение неисправностей.

Кроме того, для защиты людей и животных в непосредственной близости электростанции и подстанции строятся на заземляющих матах. Такая практика сводит к минимуму возможность поражения электрическим током.

Заземление оборудования. Изображение любезно предоставлено Pixabay.

Оборудование для склеивания в соответствии со стандартами безопасности

Соединение состоит из соединения всех нетоковедущих металлических частей установки для обеспечения непрерывности и электропроводности.Таким образом, металлические детали имеют общий и минимальный потенциал над землей. Коды требуют подключения в заземленных и незаземленных массивах.

Это соединение ведет себя как путь с низким импедансом, который безопасно проводит ток замыкания на землю и помогает быстро срабатывать устройства защиты от перегрузки по току в заземленной системе, а также работать детекторам замыкания на землю в заземленных с высоким импедансом и незаземленных системах.

Коды

также относятся к соединению металлических частей здания (неэлектрических), которые могут случайно оказаться под напряжением.

Защита от статического электричества с помощью статического заземления

Целью контроля статических зарядов является защита людей и имущества.

Трение между двумя поверхностями изолирующих материалов может вызвать перенос электронов с одной поверхности на другую, создавая разность потенциалов в тысячи вольт. Эта разность потенциалов может вызвать статические искры, которые являются источником пожаров и взрывов.

Электронные компоненты и оборудование не способны выдерживать мгновенную мощность, создаваемую статическим электричеством.Существует несколько методов защиты от статического электричества, два из них — заземление.

Статическое заземление обеспечивает заземление с низким сопротивлением, уменьшая образование статического электричества. Это предотвращает искрение между телами.

Опасные места особенно важны для заземления, поскольку в них могут находиться легковоспламеняющиеся или горючие материалы, а искры, вызванные статическим электричеством, могут воспламенить атмосферу.

Электростатическая индукция также может быть источником переходных состояний, которые вызывают непреднамеренные события в соседних цепях, вызывая ложные срабатывания реле, срабатывания выключателей или ложные сигналы в цепях управления, и это лишь некоторые из них.

Заземление молниезащиты

Молниезащита играет ключевую роль в проектировании и эксплуатации электроэнергетических систем. В районах с частыми штормами молнии — самая частая причина отключений и повреждений.

Система молниезащиты улавливает или отводит молнию и обеспечивает определенный путь для безопасного отвода скачков к земле с помощью соответствующих токоотводов к заземляющим электродам. Таким образом, это помогает предотвратить катастрофические события, такие как пожары, травмы и смерть.

Молниезащита играет ключевую роль в проектировании и эксплуатации электроэнергетических систем. Изображение любезно предоставлено Pixabay.

Помимо систем электроснабжения, высокие конструкции, такие как дымовые трубы, резервуары, башни и здания, могут нуждаться в системах молниезащиты, хотя они потребуются не всем объектам или сооружениям на данном участке. Опять же, опасные места важны, потому что молния вызывает искры, а риск возгорания и взрыва высок.

Имейте в виду, что невозможно защитить 100% конструкции от прямых ударов, кроме как полностью изолировать ее металлом.

Что касается систем передачи, хорошо продуманная система заземляющих проводов может существенно снизить частоту отказов, поскольку она будет экранировать фазные проводники, принимая на себя прямое воздействие ударов молнии.

Защита от перенапряжений, индуцированных молнией

Переходные перенапряжения — это повседневные явления в электроэнергетических системах.Переключение является их основным инициатором, но с коммутационными импульсами относительно легко справиться. Однако разряды молний — самые сильные, и с ними трудно справиться. Они могут увеличить напряжение системы во много раз по сравнению с номинальным напряжением. Если оборудование в энергосистеме не защищено от скачков молнии, это может привести к значительным повреждениям.

Перепуск заземляющих проводов, помимо защиты от прямых ударов молнии, снижает влияние наведенных скачков напряжения.

Аналогичным образом, ограничители перенапряжения подключаются шунтом к частям электрического оборудования, чтобы отводить переходные процессы на землю.

Методы заземления для защиты электронного оборудования

Компьютеры, системы связи, контрольно-измерительные приборы и оборудование управления требуют надлежащего заземления для правильной работы. Чаще всего безопасное заземление оборудования для электронного оборудования такое же, как и для любого другого устройства.

Диспетчерская. Изображение любезно предоставлено Unsplash.

Иногда к электронному оборудованию применяются специальные методы заземления, отличные от обычных методов безопасного заземления, но необходимо соблюдать осторожность, чтобы не допустить, чтобы эти методы приводили к небезопасным действиям.

Некоторые электрические распределительные системы для электронного оборудования были установлены ошибочно с целью минимизировать количество электрических помех, наблюдаемых в системе заземления. Но эти установки не соответствуют правилам Национального электротехнического кодекса (NEC), что ставит под угрозу безопасность персонала.

Защита цепей данных от помех или повреждений не всегда включает заземление, хотя хорошее заземление облегчает эту защиту.

Обзор методов и способов использования заземления

Одним из наиболее важных, но наименее понятных факторов при проектировании электрических систем является заземление.

Заземление состоит из низкоомного соединения с землей. Заземление — плохой проводник, но достаточно хорошее для этой цели.

Заземление играет ключевую роль в правильной работе электрических систем, силовых или электронных, а также в защите людей.

  • Заземление системы помогает обнаруживать и устранять замыкания на землю.
  • Заземление оборудования обеспечивает обратный путь для тока замыкания на землю.
  • Склеивание сохраняет электрическую целостность и проводимость.
  • Статическое заземление предотвращает накопление статического электричества, снижая вероятность возгорания или взрыва при работе с опасными материалами.
  • Заземление для защиты от молний помогает защитить конструкции и оборудование от прямых ударов.
  • Воздушные провода заземления и ограничители перенапряжения, подключенные к земле, могут ограничивать опасные перенапряжения в системе до безопасных значений.

По сути, заземление электронной системы аналогично заземлению любой электрической системы.Однако следует соблюдать осторожность, чтобы специальные методы заземления не создавали опасных условий.

Общие сведения об электрическом заземлении и принципах его работы

Заземление — это принцип электричества, который иногда ставит в тупик домовладельцев. Чтобы понять его важность для домашней системы электропроводки, важно знать кое-что о природе потока электроэнергии.

Что такое электрическое заземление?

Заземление предлагает наиболее эффективный и безопасный путь избыточного электричества от устройства обратно к земле через электрическую панель.Электрическое заземление — это резервный путь, который обычно используется только в случае неисправности в системе электропроводки.

Некоторые основы электричества

Электрический ток в системе электропроводки вашего дома состоит из потока электронов в металлических проводах цепи. Ток имеет две формы: отрицательный и положительный заряд, и это заряженное электрическое поле создается огромными генераторами, эксплуатируемыми коммунальной компанией, иногда за много сотен миль от них. Именно этот поляризованный заряд фактически составляет поток электрического тока, и он достигает вашего дома через обширную сеть высоковольтных служебных проводов, подстанций и трансформаторов, покрывающих ландшафт.

Отрицательная половина заряда — это «горячий» ток. В системе электропроводки вашего дома горячий ток обычно передается по черным проводам, а белые нейтральные провода несут положительный заряд. Оба набора проводов входят в ваш дом через основные служебные провода коммунального предприятия, проходят через вашу электрическую панель обслуживания и проходят бок о бок через каждую цепь в вашем доме.

Физика электрического потока сложнее, чем можно передать большинством простых объяснений, но по сути, электричество стремится вернуть свои электроны на «землю», то есть разрядить свою отрицательную энергию и вернуться в состояние равновесия.Обычно ток возвращается на землю через нейтральные провода в электрической системе. Но если произойдет какой-то сбой в пути, горячий ток может вместо этого протекать через другие материалы, такие как металлические или деревянные конструкции, металлические трубы или легковоспламеняющиеся материалы в вашем доме. Это то, что может произойти в ситуации короткого замыкания, из-за которой возникает большинство электрических пожаров и ударов. Короткое замыкание — это когда электричество выходит за пределы проводов, по которым оно должно протекать, другими словами, когда оно проходит по более короткому пути к земле.

Домашняя система заземления

Чтобы предотвратить эту опасность, электрическая система вашего дома включает в себя запасной план — систему заземляющих проводов, которые проходят параллельно горячему и нейтральному проводу. Он обеспечивает альтернативный путь прохождения электрического тока в случае выхода из строя системы горячих и нейтральных проводов, по которым обычно протекает ток. Если, например, проводное соединение ослабнет или грызун прогрызет провод, система заземления направит паразитный ток обратно на землю по этому альтернативному пути, прежде чем он может вызвать пожар или поражение электрическим током.

Заземляющий путь обычно образован системой неизолированных медных проводов, которые подключаются к каждому устройству и каждой металлической электрической коробке в вашем доме. В стандартном кабеле NM с оболочкой этот неизолированный медный провод включен вместе с изолированными проводящими проводами внутри кабеля. Оголенные медные заземляющие провода заканчиваются заземляющей шиной на вашей главной сервисной панели, и эта заземляющая шина, в свою очередь, подключается к заземляющему стержню, вбитому глубоко в землю за пределами вашего дома. Эта система заземления обеспечивает путь с наименьшим сопротивлением, по которому электричество возвращается обратно к земле, если разрыв в системе электропроводки позволяет электричеству «просачиваться» из предпочтительной системы черных и белых проводов цепи.

В большинстве домашних систем электропроводки свидетельство системы заземления можно увидеть на каждой розетке, где третья круглая прорезь на лицевой стороне розетки представляет собой заземляющее соединение. Когда заземленный прибор подключается к такой розетке, его круглый заземляющий штырь теперь напрямую подключается к системе неизолированных медных заземляющих проводов внутри электрических цепей дома.

Не во всех домах есть эта тщательно продуманная и полная система заземления, образованная сетью неизолированных медных проводов.Хотя такая система заземления является стандартной в домах с автоматическими выключателями, которые соединены кабелем NM с оболочкой, старые системы проводки, установленные до 1965 года, могут быть заземлены через металлический кабелепровод или металлический кабель, а не через оголенные медные заземляющие провода. И даже более старые системы, установленные до 1940 года, могут вообще не иметь заземления. Так обстоит дело с проводкой с ручкой и трубкой, где нет никаких путей заземления. Многие старые системы уже были обновлены, и это хорошая идея, если ваша проводка относится к более старому поколению.Одним из признаков того, что ваша проводка устарела, является то, что в розетках есть два разъема, а не три. Это указывает на то, что розетки могут быть не заземлены.

Встроенная защита

Ваша домашняя электропроводка также включает в себя другие защитные устройства, которые помогут предотвратить катастрофу. Автоматические выключатели или предохранители защищают и контролируют каждую отдельную цепь. Автоматические выключатели или предохранители выполняют две функции: они защищают провода от перегрева в случае их перегрузки из-за протекания через них слишком большого электрического тока; они также обнаруживают короткое замыкание и срабатывают или «взрывают», чтобы мгновенно остановить прохождение тока при возникновении проблем.В случае короткого замыкания или замыкания на землю внезапное снижение сопротивления вызывает неконтролируемое протекание тока, и автоматический выключатель реагирует на это отключением.

Наконец, довольно часто металлические водопроводные трубы в вашем доме также подключаются к заземляющей дорожке. Это обеспечивает дополнительную защиту в случае контакта электричества с этими металлическими трубами. Часто это заземление обеспечивается заземляющим проводом, прикрепленным к металлической водопроводной трубе рядом с водонагревателем или там, где водопровод общего пользования входит в ваш дом.

Заземление прибора

Мало того, что ваша домашняя электропроводка имеет систему заземления для безопасности, но и многие съемные приборы и устройства тоже. Электроинструменты, пылесосы и многие другие устройства намного безопаснее, если у них есть третий контакт на вилке шнура, форма которого соответствует круглому отверстию заземления на розетке. Наличие этого третьего контакта указывает на то, что в приборе есть система заземления, и важно, чтобы они были подключены к заземленным розеткам.Известно, что некоторые люди отрезали заземляющий штырь на вилке прибора, чтобы он подходил к розетке или удлинителю, не имеющим гнезда для заземления. Это чрезвычайно опасная практика, которая может привести к поражению электрическим током в случае короткого замыкания внутренней проводки устройства.

Переходники

Большинство людей знакомы с переходниками вилки, чем позволяют вставлять вилки с тремя контактами в розетки с двумя гнездами. Важно отметить, что они обеспечивают защиту от заземления. ТОЛЬКО , если гибкий провод или металлическая петля на адаптере правильно прикреплены к крепежному винту на выходной крышке, И , если этот винт крышки присоединен к металлической коробке. И , если этот металлический ящик правильно заземлен.Это ни в коем случае нельзя с уверенностью сказать, поэтому адаптеры с тремя на два слота следует использовать с большой осторожностью, если вообще использовать. Лучшее решение — вставлять вилки с тремя контактами только в заземленные розетки с тремя гнездами.

Если заземленная розетка невозможна, как в старой проводке, некоторая защита обеспечивается путем установки розетки GFCI (прерыватель цепи замыкания на землю) в этом месте. GFCI обнаружит замыкания на землю и отключит питание до того, как паразитный ток может вызвать проблемы.Однако важно отметить, что использование GFCI на самом деле не создает пути заземления; это просто делает незаземленную розетку более безопасной.

Конечно, не все приборы и съемные устройства имеют трехконтактную вилку с заземлением, и они по-прежнему безопасны в использовании, поскольку обычно имеют конструкцию с двойной изоляцией, которая сводит к минимуму риск коротких замыканий.

Заземление электрических сетей: то, о чем вы не знаете, может навредить

Электромонтажники, особенно линейные, регулярно используют системы заземления в качестве меры защиты от поражения электрическим током.Многие работники электроэнергетических компаний десятилетиями соблюдают определенные принципы заземления, но в последние годы были обнаружены некоторые более безопасные методы. Важно оставаться в курсе этих изменений.

Джим Вон и Дэнни Рейнс — эксперты в области электроэнергетики и опытные профессионалы в области безопасности. Они рассказали нам о некоторых важных основополагающих принципах, в том числе о некоторых, которые были обновлены в последние годы. Вот краткое изложение того, что они сказали:

Что такое заземление?

Заземление с целью защиты сотрудников имеет два основных требования:

  1. Для немедленного срабатывания защитных устройств в случае случайного включения электропитания в линии или оборудование
  2. Для предотвращения опасной разницы в электрическом потенциале каждого сотрудника

Важно отметить, что заземление электросети отличается от постоянного заземления.Постоянные системы заземления в зданиях устанавливаются таким образом, чтобы токи не протекали, за исключением аварийных ситуаций. Однако в системах заземления инженерных сетей ток всегда течет, даже в постоянных заземлениях.

Факты о заземлении

  • Оборудование площадки может убить вас даже при отсутствии неисправности.
  • Высокое напряжение по-прежнему будет появляться на заземленном проводе или оборудовании при неисправности, просто оно не будет оставаться горячим так долго, потому что сработает.
  • В точке «заземления» будут градиенты напряжения, простирающиеся до 15 футов или более при неисправности напряжения распределения.
  • Эквипотенциальный — это когда все проводящие объекты в пространстве имеют одинаковый уровень электрического заряда или его отсутствие. Это означает, что вы можете получить травму через землю, просто стоя возле заземляющего стержня.
  • Требуется около 50 вольт, чтобы сломать электрическое сопротивление вашей кожи, и около 50 миллиампер, чтобы серьезно повредить вас от электрического воздействия.

Две пиктограммы ниже показывают ступенчатый и контактный потенциалы, а также уровни рассеиваемого напряжения с расстоянием:

Описание неисправностей и заземление

Причина номер один для заземления электрической системы — вызвать немедленное отключение, обеспечивая путь к земле для токов короткого замыкания.Возможно, люди думают, что заземление останавливает ток электричества, но в заземленной системе все еще есть ток и напряжение.

Распространенное заблуждение состоит в том, что заземление защищает вас от травм. Но в то время как заземление действительно вызывает немедленное срабатывание защитного устройства цепи, его соединение защищает человека. В заземленной цепи протекает ток, и в ней может появиться напряжение, что означает, что вам все равно может быть причинен вред.

Эквипотенциальные зоны

Могут быть различия в электрическом потенциале, создаваемые разным сопротивлением, особенно на механическом оборудовании, таком как прицепы с катушками, съемники и натяжители.Использование подвижного заземления для соединения через оборудование выравнивает все потенциальные напряжения даже на поверхностях с высоким сопротивлением, таких как подшипники и механические соединения. Распространенной ошибкой является подключение подвижного заземления к заземляющему стержню, который мало что делает для выравнивания напряжений, которые могут возникать в оборудовании.

Решение состоит в том, чтобы прикрепить провод к оборудованию, чтобы создать зону уравнивания потенциалов. Благодаря соединению провода и движущегося оборудования вместе, человек, находящийся на оборудовании, не подвергается воздействию и не может получить травму.У подножия оборудования установите эквипотенциальный коврик, чтобы у человека, стоящего рядом с оборудованием или взбирающегося на него, не было ступенчатого или касательного потенциала.

На фотографии ниже показан один из способов соединения оборудования с помощью коврика (желтого цвета) на земле под оборудованием, подключенным к подвижной земле.

В областях, где у вас есть несколько единиц оборудования, соединенных вместе, вы можете построить большую плоскость уравнивания потенциалов, взяв такой материал, как армирующие панели, и соединив их вместе с алюминием № 4, чтобы все они были электрически соединены.Затем вы создали плоскость эквипотенциальности, которая защитит всех внутри этой зоны, даже от повреждений и индукции.

Заземление рабочей зоны (эквипотенциальное заземление)

На протяжении многих лет считалось, что работа на открытом воздухе защищает вас. Но когда руки линейного монтера находятся на первичной обмотке (см. Рисунок ниже), а их ступни являются опорой, они становятся параллельными путями, что делает их восприимчивыми к току.

Equipotential исключает возможность протекания тока через ваше тело, потому что он уравнивает потенциал, связывая фазу, нейтраль и структуру, на которой вы находитесь, вместе так, чтобы все они имели одинаковое повышение напряжения, и это повышение напряжения минимально.Пока напряжение на вашем теле ниже 50 вольт, ток не может течь, и вы не пострадаете.

Узнайте больше об обучении по электробезопасности сегодня!

Введение в заземление для обеспечения электромагнитной совместимости

Правильное заземление — важный аспект проектирования электронной системы как с точки зрения безопасности, так и с точки зрения электромагнитной совместимости. Земля играет решающую роль в определении того, что происходит в случае непреднамеренных неисправностей, электрических переходных процессов или электромагнитных помех.Правильные стратегии заземления также позволяют инженерам более эффективно контролировать нежелательные излучаемые излучения.

С другой стороны, неправильное заземление может подорвать безопасность и электромагнитную совместимость продукта или системы. За последние несколько десятилетий плохое заземление стало основной причиной сбоев системы, связанных с электромагнитной совместимостью.

Разработка хорошей стратегии заземления — довольно простой процесс. Итак, можно задаться вопросом, почему так много систем неправильно заземлены.Ответ прост: инженеры часто путают понятие заземления с другим важным понятием — текущей отдачей. Тот факт, что возвратные токопроводы в цифровой электронике часто обозначаются как заземление или GND, может сбивать с толку. Когда токопроводящие обратные токопроводы рассматриваются как заземляющие (или когда заземляющие проводники используются для обратных токов), результатом часто становится конструкция со значительными проблемами ЭМС.

Определение земли

Хорошая стратегия заземления начинается с четкого понимания цели заземления.Прежде всего, заземление служит опорным нулевым напряжением цепи или системы. Это хорошо понимали несколько десятилетий назад. В 1992 году Американский национальный институт стандартов (ANSI) определил такое заземление [1],

4.152 — заземление. (1) Прикрепление корпуса оборудования, рамы или шасси к объекту или конструкции транспортного средства для обеспечения общего потенциала. (2) Подключение электрической цепи или оборудования к земле или к некоторому проводящему телу относительно большой протяженности, которое служит вместо земли.

Было хорошо известно, что земля является опорным потенциалом, а заземляющие проводники обычно не токоведущие.

Рисунок 1. Розетка на 110 В в США

В США розетки с заземлением на 110 В имеют три клеммы, как показано на Рисунке 1. Горячая клемма имеет номинальный потенциал 110 В среднеквадратического значения и обеспечивает ток питания. Клемма нейтрали имеет номинальный потенциал 0 В среднеквадратического значения и действует как возврат силового тока.Клемма заземления также имеет номинальный потенциал 0 Vrms, но не пропускает ток при нормальных условиях. Клеммы нейтрали и заземления подключены к проводам, идущим обратно к одной и той же точке в электрической сервисной коробке (точке, которая электрически соединена с землей за пределами здания).

Так как нейтральный и заземляющий провода идут в одно и то же место, они электрически взаимозаменяемы. Фактически, если бы они были электрически закорочены в розетке с однопроводным подключением обратно к сервисной коробке, было бы трудно обнаружить какую-либо разницу.Так зачем же прокладывать два провода вместо одного? Простой ответ заключается в том, что заземление и возврат тока — это две отдельные функции, которые обычно несовместимы. Значительные токи, протекающие в проводнике, могут помешать тому, чтобы он был надежным опорным потенциалом.

Возможно, наиболее важным моментом, который следует учитывать при заземлении для обеспечения безопасности и ЭМС, является то, что заземление не является током возврата. Земля и ток — это очень важные концепции, но это не одно и то же. Земля НЕ ЯВЛЯЕТСЯ путем возврата токов к их источнику.Земля — ​​это, по сути, эталон нулевого напряжения для цепей и систем продукта. Концепция заземления играет решающую роль при проектировании с точки зрения безопасности и электромагнитной совместимости.

Важность заземления для безопасности

Важной частью разработки безопасных электрических продуктов и систем является знание того, где и когда небезопасные напряжения могут появляться на различных проводящих поверхностях. С точки зрения безопасности, заземление является опорным нулевым напряжением, а напряжение на каждом другом проводе — это разница между его напряжением и землей.Для зданий ориентиром на землю обычно является земля под зданием (или буквально «земля» под зданием). Это удобно, потому что земля относительно велика, и все большие металлические конструкции (например, водопровод и кабели, проходящие через границу здания) легко соединяются или привязаны к заземлению.

Строительные площадки обычно представляют собой металлические прутья, вбитые в землю возле входа в электроснабжение. Эти стержни подключены к коробке выключателя, от которой заземление распределяется на все электрические розетки через нетоковедущие провода.Они также соединяются с любым металлом, который распространяется по всему зданию, например с водопроводными трубами или строительной сталью.

Приборы или электрические изделия со значительной открытой металлической поверхностью обычно требуются для заземления металла на провод заземления, чтобы гарантировать, что он не может достичь опасного потенциала по сравнению с любым другим заземленным металлом в здании. Если происходит неисправность, которая вызывает короткое замыкание между силовым проводом и оголенным металлом, заземление коробки выключателя обеспечивает протекание большого количества тока.Это заставляет выключатель размыкаться и обесточивает прибор.

Рис. 2. Схема, иллюстрирующая базовую работу GFCI.

Важно отметить, что этот метод обеспечения безопасности продуктов основан на хорошем соединении заземления розетки с блоком выключателя. В старых розетках может отсутствовать клемма заземления, и даже в новых розетках с неправильным подключением может отсутствовать заземление. По этой причине во многих продуктах используются конструкции, в которых для безопасной работы не требуется заземление.Изделия с двойной изоляцией спроектированы таким образом, чтобы исключить возможность короткого замыкания силового соединения на оголенный металл, за счет исключения оголенного металла и / или обеспечения срабатывания автоматического выключателя в случае короткого замыкания.

Также растет количество электротехнической продукции со встроенными устройствами прерывания цепи замыкания на землю (GFCI). GFCI работают, обнаруживая дисбаланс тока между проводами подачи и возврата питания. При первом признаке того, что дисбаланс тока превышает безопасный порог, GFCI отключает питание.

Заземление безопасности может быть или не совпадать с заземлением ЭМС, но заземление для обеспечения безопасности может быть важным фактором, который следует учитывать при проектировании с учетом ЭМС. Например, в медицинских изделиях и промышленных средствах управления заземление цепи часто требуется изолировать от заземления шасси по соображениям безопасности. Это представляет собой уникальную конструктивную проблему для инженеров EMC, которые обычно хотят видеть все большие металлические объекты, хорошо соединенные на высоких частотах.

Важность заземления для ЭМС

Проблемы ЭМС часто возникают из-за того, что два больших металлических предмета находятся под разным потенциалом.Потенциальная разница всего в несколько сотен микровольт между любыми двумя резонансными проводниками может привести к превышению допустимого уровня излучаемого излучения. Точно так же напряжения, индуцированные между двумя плохо соединенными проводниками, могут привести к проблемам с помехоустойчивостью.

Заземление — это в основном искусство определения опорного источника нулевого напряжения и соединения металлических предметов или цепей с этим опорным сигналом посредством низкоомного нетоковедущего соединения. Правильная стратегия заземления ЭМС гарантирует, что большие металлические конструкции не могут двигаться относительно друг друга, что приведет к непреднамеренным излучениям или проблемам с помехоустойчивостью.Склеивание металлических предметов для поддержания на них одинакового потенциала и привязка всех внешних соединений к одному и тому же нулевому заземлению — это ключевой шаг к обеспечению электромагнитной совместимости большинства продуктов.

Наземные сооружения

Почти все электронные устройства и системы имеют наземную структуру. В зданиях это заземляющие провода, водопровод и металлоконструкции. В автомобилях и самолетах это металлический каркас или шасси. В большинстве компьютеров это металлическая опорная конструкция и / или корпус.

Конструкция заземления служит местной опорной точкой нулевого напряжения. Нельзя допускать, чтобы что-либо крупное и металлическое приобретало потенциал, значительно отличающийся от потенциала земли. Обычно это достигается путем прикрепления всех крупных металлических предметов к заземляющей конструкции на интересующих частотах. Это также может быть достигнуто путем достаточной изоляции больших металлических предметов и обеспечения отсутствия возможных источников, которые могут вызвать развитие потенциала между ними.

Рисунок 3.Спутник с двумя солнечными батареями.

Например, рассмотрим спутник, показанный на рисунке 3. Его наземная структура представляет собой металлический корпус, в котором находится большая часть электроники. Чтобы передать значительную электромагнитную мощность на спутник или из него, необходимо установить напряжение между наземной структурой и чем-то еще значительного электрического размера. На частотах ниже нескольких сотен мегагерц единственными проводниками значительного электрического размера (кроме наземной конструкции) являются две группы солнечных панелей и, возможно, любые провода, соединяющие эти массивы с цепями внутри спутника.

Прикрепление массивов солнечных панелей к корпусу в точках, где они находятся в непосредственной близости, гарантирует, что между большими проводниками не возникнет значительных напряжений, которые могут служить непреднамеренно передающими или приемными антеннами для шума. Соединительные провода также необходимо прикрепить к заземляющей конструкции. Обычно это достигается с помощью шунтирующих конденсаторов, чтобы установить связь на частотах шума, в то же время позволяя токам мощности и сигнала течь без ослабления.

Стратегия заземления, примененная к спутнику в этом примере, может использоваться практически с любым другим устройством или системой, имеющей наземную структуру. Основная философия заключается в том, что сама наземная конструкция представляет собой половину непреднамеренной антенны. Излучаемая связь может возникать только в том случае, если между заземляющей конструкцией и другим проводящим объектом значительных электрических размеров возникает напряжение. Прикрепление всех объектов значительного электрического размера к заземляющей конструкции предотвращает их превращение в другую половину непреднамеренной антенны.

Эта стратегия заземления важна не только для удовлетворения требований к излучению и помехозащищенности, она также играет ключевую роль в соблюдении требований к кондуктивным помехам и помехоустойчивости, когда конструкция заземления является как опорным нулевым напряжением, так и предпочтительным путем для потенциально мешающих шумовых токов.

Три важных момента относительно наземных сооружений:

  1. Конструкция заземления должна быть хорошим проводником на интересующих частотах, но не должна быть электрически малогабаритной.Иногда вы можете услышать, как кто-то утверждает, что земли не существует на высоких частотах, потому что земля является эквипотенциальной поверхностью, а потенциал в двух точках на расстоянии четверти длины волны на поверхности неодинаков. Этот аргумент необоснован, потому что наземные конструкции не обязательно являются эквипотенциальными поверхностями в этом смысле. Фактически, вся концепция однозначно определяемой разности потенциалов между двумя удаленными точками разваливается на высоких частотах.

    Земля служит защитным заземлением для большинства систем распределения электроэнергии, даже если земля определенно не является электрически малой при 50 или 60 Гц.Неважно, что потенциал Земли в Лос-Анджелесе не такой, как в Нью-Йорке. Наземные конструкции служат в качестве местных источников нулевого напряжения. Они не должны быть электрически маленькими.

  2. Конструкция заземления не должна закрывать электронику. Наземная конструкция не является защитным ограждением. Это просто что-то большое и металлическое, которое служит локальным источником нулевого напряжения для всего остального, большого и металлического.

  3. Конструкция заземления не может пропускать преднамеренные токи (по крайней мере, с интересующими амплитудами и частотами).Токи, протекающие по проводнику или внутри него, заставляют магнитный поток наматывать проводник. Магнитный поток, охватывающий проводник, индуцирует на нем напряжение. На высоких частотах это напряжение потенциально может управлять одной частью конструкции заземления относительно другой части.

Наземные конструкции могут проводить токи с частотами и амплитудами, которые не влияют на их эффективность как наземные конструкции. Например, в большинстве автомобилей рама автомобиля используется в качестве пути обратного тока для огней и некритичных датчиков, работающих на очень низких частотах.Это не ухудшает способность рамы служить заземляющей структурой на более высоких частотах.

Важно отметить, что, хотя конструкция заземления не может пропускать преднамеренные токи, ожидается, что она будет пропускать токи короткого замыкания и токи индуцированного шума. Фактически, правильное использование конструкции заземления зависит от ее способности переносить непреднамеренные токи с достаточно низким импедансом, чтобы контролировать непреднамеренные напряжения.

Заземляющие провода

Заземляющие проводники — это соединения (напр.г. винты, болты, прокладки, провода или металлические ленты), которые крепят большие металлические предметы к заземляющей конструкции. Как и заземляющие конструкции, заземляющие проводники не проводят преднамеренных токов. Их функция — поддерживать напряжение между двумя металлическими конструкциями ниже критического значения.

Заземляющие проводники должны иметь достаточно низкий импеданс (т. Е. Сопротивление плюс индуктивное реактивное сопротивление), чтобы их полное сопротивление, умноженное на максимальный ток, который они могут нести, было ниже минимального напряжения, которое может привести к проблеме ЭМС.Например, предположим, что экран экранированной витой пары проводов подключен к заземляющей конструкции через 1-сантиметровый контактный штырь, как показано на рисунке 4. Витая пара проводов передает псевдодифференциальный сигнал 100 Мбит / с с синфазным шумом. ток 0,3 мА при 100 МГц. Напряжение, управляющее экраном кабеля относительно платы, приблизительно равно току, возвращающемуся в экран, умноженному на эффективную индуктивность соединения экрана. Предполагая, что эффективная индуктивность контакта разъема составляет приблизительно 10 нГн (т.е.е. 1 нГн / мм) напряжение, управляющее экраном кабеля относительно заземляющей конструкции, составляет примерно 2 милливольта. Во многих ситуациях этого достаточно, чтобы превысить предел излучаемых излучений на частоте 100 МГц, и потребуется предпринять шаги для уменьшения синфазного шума или уменьшения индуктивности соединения заземляющего проводника.

Рисунок 4. Витая пара с экраном, подключенным к заземляющей конструкции.

Гальваническая коррозия

Когда заземляющее соединение выполняется путем соединения болтами двух плоских металлических поверхностей, сопротивление соединения может быть более важным, чем индуктивность.Это особенно верно, когда поверхность раздела между ними подвергается коррозии.

Потенциал гальванической коррозии — это мера того, насколько быстро разнородные металлы будут корродировать при контакте. Коррозия зависит от наличия электролита, например воды; а скорость коррозии зависит от многих факторов, включая свойства электролита.

Рисунок 5. Анодные индексы для обычных металлов.

На диаграмме на Рисунке 5 указаны анодные индексы нескольких распространенных металлов рядом с их названиями.Этот параметр является мерой электрохимического напряжения, которое возникает между металлом и золотом. Чтобы найти относительное напряжение пары металлов, их анодные индексы вычитаются, как указано в таблице. В зависимости от окружающей среды соединения между материалами с разницей напряжений более 0,95 В обычно требуют покрытия или прокладок для сохранения целостности соединения с течением времени.

Земля против обратного тока

Как указано в начале этой главы, заземление и возврат тока — это две очень разные функции.К сожалению, в реальных изделиях многие токопроводы имеют маркировку «заземление». Это создает большую путаницу, поскольку правила, относящиеся к земле, применяются к текущим доходам и наоборот.

Например, схематическая часть платы на рисунке 6 имеет четыре разных заземления. Один компонент работает с сигналами или мощностью, которые относятся к трем из этих заземлений. Маловероятно, что разработчик этой схемы хотел четыре разных источника нулевого напряжения. Фактически, четыре заземления соединены перемычками, что указывает на то, что разработчик намеревался иметь одну опорную цепь нулевого напряжения.

Рисунок 6. Частичная схема с четырьмя заземлениями.

Компоновка платы, показанная на Рисунке 7, показывает слой с двумя изолированными цепями, помеченными «GND» и «AGND». Изоляция заземления затрудняет поддержание одинакового потенциала всех крупных металлических объектов в системе. Как правило, это следует делать только в случае необходимости из соображений безопасности. Так почему же эти «земли» изолированы?

Рисунок 7. Один слой разводки платы с двумя заземлениями.

В двух приведенных выше примерах причина того, что «наземные» сети были изолированы, заключается в том, что они на самом деле не были заземлением. Они были обратными проводниками для силовых или сигнальных токов. Разработчикам не нужны были изолированные источники нулевого напряжения. Они изолируют обратные токопроводы, пытаясь избежать связи по общему сопротивлению.

Около 50 лет назад, когда цифровые схемы только начинали внедряться в такие продукты, как радиоприемники и высококачественное аудиооборудование, разработчики электроники быстро поняли, что цифровой шум может быть связан со звуковыми цепями, если они используют одни и те же возвратные проводники. .Например, рассмотрим простую доску, показанную на рисунке 8a. Он состоит из двух цифровых компонентов: цифро-аналогового (ЦАП) преобразователя и усилителя для усиления аналогового сигнала перед его отправкой с платы через разъем. Несимметричный цифровой сигнал между двумя цифровыми компонентами использует землю в качестве обратного пути. На частотах килогерц и ниже возвратный по плоскости ток распространяется с распределением, примерно представленным зелеными линиями на рисунке 8b. Низкочастотный ток, возвращающийся от усилителя к цифро-аналоговому преобразователю, следует по пути, примерно представленному синими линиями на рисунке 8b.

Рис. 8. Простая плата смешанного сигнала слева (a) и примерное распределение обратного тока на заземляющем слое (b).

В текущем распределении явно много общего. Это приводит к общему сопротивлению, поскольку токи в одной цепи имеют общее сопротивление заземляющей поверхности с токами в другой цепи. Если бы общее сопротивление заземляющей поверхности было порядка 1 мОм, а цифровые токи были порядка 100 мА, то индуцированное напряжение в аналоговых цепях было бы порядка 100 мкВ.

Пятьдесят лет назад инженеры, проектирующие аудиосхемы, заметили, что напряжения, индуцированные в аудиосхемах из-за связи общего импеданса с цифровыми схемами, часто были неприемлемыми. В акустическом сигнале люди слышали цифровой шум.

Очевидным решением было изолировать обратные токи цифрового сигнала от обратных токов аналогового сигнала. Платы с более чем двумя слоями не были распространены в то время, поэтому популярным подходом было разделение текущей возвратной плоскости.Пример этого показан на рисунке 9.

Рис. 9. Плата смешанного сигнала с зазором в плоскости обратного тока слева (a) и приблизительным распределением обратного тока на плоскости заземления (b).

Поскольку токи низкой частоты не могут проходить через зазор, токи перенаправляются по обе стороны от зазора. Это снижает плотность цифрового обратного тока в области плоскости, используемой в основном для аналоговых токов, и значительно снижает связь по общему импедансу.

На относительно простых двухслойных платах 1960-х и 1970-х годов зазор между аналоговыми и цифровыми схемами часто был эффективным способом устранения неприемлемых перекрестных помех из-за связи общего импеданса. К сожалению, это сработало настолько хорошо, что люди в конце концов пришли к мысли, что между цифровыми и аналоговыми цепями всегда должен быть промежуток между заземляющими плоскостями. Так родилось правило дизайна, и дизайнеры досок любят правила дизайна. Пятьдесят лет спустя многие дизайнеры плат по-прежнему придерживаются этого правила дизайна, хотя оно больше не имеет смысла.Фактически, лучшее правило проектирования современных плат — никогда не допускать зазоров между аналоговыми и цифровыми схемами заземления.

Чтобы проиллюстрировать, почему это так, рассмотрим схему платы на рисунке 10. Она имеет те же компоненты, что и в предыдущем примере, и, как и в предыдущем примере, имеет зазор между аналоговой и цифровой схемами. Однако в этом случае зазор окружает аналоговую схему с трех сторон.

Рис. 10. Ужасно смешанная компоновка сигнальной платы слева (а) и гораздо лучшая альтернативная компоновка справа (b).

График обратных токов, как это было сделано в предыдущем примере, проиллюстрирует отличную развязку между цифровым и аналоговым обратным токами. Но предыдущие графики обратного тока не учитывали все токи в плоскости. Обратите внимание, что есть четыре цифровых дорожки, соединяющих цифро-аналоговый преобразователь с одним из цифровых компонентов. Для этих сигналов также требуются обратные токи. Эти токи должны поступать от контакта заземления ЦАП на контакт заземления цифрового компонента.Раньше этот путь был коротким и несущественным, но теперь зазор заставляет эти токи разделять ту же область плоскости, что и аналоговые токи. Вместо того, чтобы улучшить ситуацию, этот пробел потенциально усугубляет ситуацию.

Правильное определение зазора между аналоговой и цифровой цепями имеет решающее значение. Пятьдесят лет назад часто было трудно определить правильное место для разрыва. В современных платах с высокой плотностью зазоры между плоскостями, как правило, нереально и совершенно ненужно для решения несуществующей проблемы.

Существует по крайней мере три причины, по которым в современных конструкциях плат нет необходимости в зазоре в заземляющем слое:

  1. Цифровые и аналоговые сигналы, как правило, работают на гораздо более высоких частотах, чем 50 лет назад. На частотах выше примерно 100 кГц обратные токи на заземляющем слое ограничиваются областями непосредственно под дорожками сигнала. Поскольку они не распространяются по плоскости, зазоры между плоскостями не улучшают изоляцию между цепями.

  2. Даже на частотах кГц и ниже сопротивление заземляющих поверхностей печатной платы составляет менее 1 мОм / квадрат . Это означает, что «шумные» схемы, сбрасывающие ток в амперах на заземляющую пластину, способны вызывать только милливольты (наихудший случай) напряжения в других схемах, находящихся в той же плоскости. Существует относительно немного ситуаций, когда такой уровень шумовой связи может стать проблемой.

  3. В тех ситуациях, когда миллиом муфты недопустим, гораздо лучше изолировать возврат на другом слое .Например, лучшим решением проблемы сцепления в нашем предыдущем примере было отсутствие зазора между плоскостью. На рисунке 10b показано, как возврат аналогового тока с помощью дорожки на верхнем слое полностью позволяет избежать общей проблемы связи импеданса. В платах, которые имеют много аналоговых и цифровых возвратов, которые должны быть изолированы на низких частотах, обычно необходимо соединять их на высоких частотах, чтобы предотвратить проблемы излучаемого излучения. Маршрутизация изолированных возвратных сигналов на соседних слоях значительно упрощает установление хорошего высокочастотного соединения между ними.

Обратите внимание, что аналоговая трасса возврата тока на рис. 10b подключена к плоскости цифрового возврата тока с помощью одного переходного отверстия, расположенного рядом с выводом заземления ЦАП. Переходное отверстие не несет аналоговых или цифровых обратных токов. Его единственная функция — гарантировать, что аналоговая и цифровая схемы имеют одинаковое опорное напряжение нулевого напряжения. Другими словами, переходное отверстие является заземляющим проводником, тогда как плоскость и дорожка являются токопроводящими проводниками.

Одноточечное и многоточечное заземление

Предположим, что аналоговая трасса возврата тока на рисунке 10b имеет два сквозных соединения с цифровой плоскостью возврата тока, как показано на рисунке 11.Теперь аналоговый обратный ток имеет два возможных пути. Он может вернуться по следу или может вернуться в самолете. Ток будет разделен в соответствии с сопротивлением каждого пути, позволяя значительному количеству аналогового тока возвращаться в плоскость. Аналогичным образом, некоторый цифровой ток будет течь по обратной линии аналогового тока. Изоляция разрушается, и снова вводится связь по общему импедансу.

Рис. 11. Добавление второго соединения между двумя изолированными возвратными токами может означать, что они больше не изолированы на низких частотах.

Вообще говоря, два пути возврата тока не изолированы на низких частотах, если они соединены более чем в одной точке. Сквозное соединение на рисунке 10b является примером одноточечного заземления. Одноточечное заземление является важным понятием в ЭМС, хотя его часто неправильно понимают проектировщики, не проводившие должного различия между проводниками с возвратным током и заземляющими проводниками.

Рисунок 12. Одноточечное заземление.

Рисунок 12 иллюстрирует концепцию одноточечного заземления.Изолированные цепи или системы связаны с одной точкой через нетоковедущие заземляющие проводники. На рисунке 13 показана другая реализация, в которой заземляющие проводники подключаются более чем в одной точке, но все они по-прежнему привязаны к одной точке. Одним из примеров этого является заземление в зданиях. Каждое заземленное устройство имеет выделенный проводной путь к электросети здания, но параллельные пути создаются водопроводными соединениями или изделиями, внешние металлические поверхности которых находятся в электрическом контакте.Подключение заземляющих проводов более чем в одной точке не снижает эффективности схемы заземления.

Рис. 13. Еще одна реализация с одноточечным заземлением.

Хотя одноточечное заземление является важной концепцией для обеспечения того, чтобы изолированные цепи имели одинаковое опорное напряжение нулевого напряжения, оно не работает, если по заземляющим проводникам проходят сигнальные или силовые токи. Например, на рисунке 14 средняя и правая цепи не изолированы.Токи, возвращающиеся от нагрузки к источнику средней цепи, теперь имеют возможность вернуться через намеченный синий провод или пройти по дополнительному соединению в правую цепь и обратно в среднюю цепь через «одноточечную» землю.

Рисунок 14. Это НЕ одноточечное заземление.

Путь на рисунке 14 от одноточечного соединения к средней цепи к правой цепи и обратно к одноточечному соединению иногда называют контуром заземления.Контуры заземления часто считаются несовместимыми с одноточечным заземлением и часто упоминаются как источник связи общего сопротивления; но это неверно. На рисунке 13 показан контур заземления, и он по-прежнему является хорошей реализацией одноточечного заземления. Контур заземления на Рисунке 14 включает в себя сегмент, который вообще не заземлен. Синий провод в средней цепи может называться «землей» на схеме платы, но это проводник обратного тока.

Как правило, контуры заземления хороши, если все проводники в контуре действительно являются проводниками заземления.Если один или несколько проводников в петле являются проводниками с обратным током низкой частоты, то все проводники в петле будут нести часть этого обратного тока. Это может облегчить связь по общему сопротивлению.

На рисунке 15 показан еще один пример неправильного применения концепции единой точки заземления. Этот пример взят из инструкции производителя по применению, в которой покупателям рассказывается, как расположить драйвер трехфазного двигателя. Идея заключалась в том, чтобы гарантировать, что все три фазы имеют такое же опорное напряжение нулевого напряжения, что и двигатель.Реализация призвала вернуть все токи переключения и ток двигателя в одну и ту же точку.

Рисунок 15. Одноточечный возврат по току (плохая идея).

Конечно, это не одноточечное заземление. Это одноточечный текущий возврат. Хотя все проводники помечены как заземление на схеме и на плате, они не являются заземлением. Это токопроводы с обратным током.

Отправка всех коммутируемых токов в одну точку схемы в основном гарантирует, что индуктивность соединения будет выше, чем в противном случае.Это обеспечивает высокий общий импеданс, а также взаимную индуктивность между фазами. Это также гарантирует, что ни одна из фаз или двигателя не будет иметь одинакового опорного нулевого напряжения.

По сути, важно помнить, что одноточечное заземление является важной стратегией для обеспечения того, чтобы изолированные цепи и устройства имели одинаковое опорное напряжение нулевого напряжения. С другой стороны, одноточечные возвратные токи часто являются основной причиной серьезных проблем электромагнитного взаимодействия.

Рисунок 16.Многоточечная земля.

Альтернативой стратегии одноточечного заземления является стратегия многоточечного заземления. Пример этого показан на рисунке 16. Вместо одной точки земля определяется локально. По сути, это концепция наземной конструкции, описанная ранее.

Обычно системы, использующие заземляющую структуру, подключают цепи и модули, которые не изолированы от заземляющей конструкции более чем в одной точке. Простой пример этого показан на рисунке 17.

Рис. 17. Гибридная стратегия заземления.

В этом случае соединение между средней и правой цепями позволяет низкочастотным обратным токам течь по заземляющей конструкции. На этих частотах структуру правильнее было бы описать как структуру с обратным током. При разработке стратегии заземления важно понимать, что проводящая конструкция может выполнять функцию заземления на одних частотах и ​​функцию возврата тока на других.

Например, в автомобиле средняя и правая цепи на рисунке 17 могут представлять модуль управления тормозами и датчик скорости вращения колеса соответственно. Каждый из них заземлен на раму автомобиля, чтобы соответствовать требованиям по излучению и эмиссии на высоких частотах, но ни один модуль не позволяет токам высокой частоты возвращаться на раму. Таким образом, на высоких частотах рама представляет собой многоточечную наземную структуру.

На более низких частотах критическая связь будет осуществляться с использованием дифференциальных сигналов, чтобы токи сигналов не попадали в кадр (и токи кадра не попадали в сигналы).Тем не менее, основания власти не обязательно будут изолированы. Силовые токи, поступающие в модули по 12-вольтовым проводам питания, возвращаются к батарее по всем доступным путям. Таким образом, на низких частотах (например, постоянный ток — кГц) рама не является наземной структурой, это структура с током возврата. Силовой ток, протекающий по корпусу из-за одного модуля, может вызвать сотню милливольт на заземляющих соединениях других модулей, но большинство модулей не будут подвержены влиянию сотен милливольт на очень низких частотах.

Предположим, что схема слева на рисунке 17 представляет распределение мощности на стартер для двигателя внутреннего сгорания. Эта схема может потреблять сотни ампер тока при запуске двигателя. Если позволить этим токам вернуться на раму транспортного средства, это может привести к недопустимому уровню шума в модулях, использующих раму в качестве обратного проводника силового тока. В этом случае можно было бы принять решение изолировать возврат от стартера и подключить его к раме в одной точке.

Стратегии заземления

Возможно, наиболее важным моментом, который следует отметить в отношении стратегий заземления, будь то для электромагнитной совместимости или безопасности, является то, что разрабатываемый продукт должен иметь его. Проблемы обычно возникают, когда с заземляющим проводом обращаются как с токоотводящим проводом или с токоотводящими проводниками как с заземляющими проводниками.

Правильные стратегии возврата тока обычно сосредоточены на обеспечении путей с низкой индуктивностью для высокочастотных токов и поддержании контроля над путями низкочастотных токов.

Правильные стратегии заземления сосредоточены на выявлении и защите опорного нулевого напряжения для каждой цепи и системы.

Один из способов отследить, выполняют ли проводники в первую очередь функцию заземления или функцию возврата тока, — это соответствующим образом пометить их. Например, назовите соединение с заземляющей структурой «заземление шасси» или «шасси-GND», но используйте термин «цифровой возврат» или «D-RTN» для обозначения плоскости на печатной плате, основная функция которой — возврат цифровых токов. к их источнику.Половина успеха в разработке хорошей стратегии заземления — это правильное признание и сохранение целостности истинных оснований.

Еще одним важным аспектом любой стратегии заземления является определение конструкции грунта. На уровне системы наземная конструкция всегда представляет собой металлический корпус или каркас, если таковой имеется. На уровне платы, если плата подключается к раме, то заземление платы должно быть там, где это соединение происходит. Если рамы нет или нет близости к раме, заземление платы обычно должно быть определено на одном из контактов разъема (часто вход питания 0 В).

Вообще говоря, все крупные металлические предметы (например, кабели, большие радиаторы, металлические опоры и т. Д.) Должны быть прикреплены к заземляющей конструкции. Если это невозможно, они должны быть достаточно изолированы от наземной конструкции, чтобы гарантировать отсутствие значительного нежелательного сцепления. Медицинские изделия и многие высоковольтные системы требуют строгой изоляции между корпусом или шасси и любыми токоведущими цепями. К сожалению, для близлежащих высокочастотных цепей относительно легко навести в этих структурах ток в микроамперах, которого достаточно, чтобы вызвать проблемы излучаемого излучения.Предотвращение этого без привязки к корпусу обычно требует ограничения полосы пропускания схемы, экранирования схемы и / или увеличения расстояния между схемой и рамой.

Список литературы

[1] Американский национальный стандартный словарь технологий электромагнитной совместимости (EMC), электромагнитного импульса (EMP) и электростатического разряда (ESD), ANSI C63.14-1992.

Заземление и соединение электрических систем Справка

Используйте поиск, чтобы быстро найти ответы на вопросы — откройте окно поиска (ctrl + f), затем введите ключевое слово из вопроса, чтобы перейти к этим терминам в материалах курса

Цель.

Целью данного курса является ознакомление инженеров с проблемами заземления и соединения электрических систем, связанных с глухозаземленными системами под напряжением 600 В. Этот курс может служить введением в заземление и подключение для инженеров, не имеющих или почти не имеющих опыта профессионального проектирования электрооборудования. В курсе также представлена ​​практическая, но не совсем известная информация по применению заземления и соединения, которая будет полезна даже самому опытному профессионалу в области проектирования электротехники.

Зачем тратить время на изучение заземления и подключения?

 Многие специалисты в области электротехники придерживаются популярного и ошибочного убеждения, что заземление металлического объекта (путем прямого подключения к земле)
поможет снять опасное напряжение, вызванное замыканием линии на землю.Заземление объекта никак не снимает опасное напряжение или снижает напряжение прикосновения или шагового напряжения, которые являются причиной нескольких смертей каждый год.

 Неправильное заземление и подключение — частая причина несчастных случаев, связанных с электрическим током.

 Эффективное заземление играет важную роль в правильной работе чувствительного электронного оборудования.

 «Более 80% всех отказов электронных систем, которые связаны с аномалиями питания, на самом деле являются результатом ошибок электропроводки или заземления или вызваны другими нагрузками на предприятии заказчика.”EPRI (Исследовательский институт электроэнергетики)

“ Из всех проблем с питанием и заземлением, влияющих на электронное оборудование, почти 90% вызваны электропитанием и условиями заземления внутри объекта, в котором используется оборудование… Что еще более важно, почти 75% Проблемы с качеством электроэнергии внутри объекта связаны с заземлением, что делает его единственным наиболее важным фактором с точки зрения объекта, обеспечивающего надежную работу оборудования ». Уоррен Льюис, ECM Magazine

 Издание 2005 года Национального электротехнического кодекса (NEC) включало полный пересмотр и переименование статьи 250 (ранее называвшейся «Заземление»), которая, по словам редакторов Справочника NEC, была « одно из самых значительных изменений, произошедших в новейшей истории Кодекса ».

Основа и ресурсы.

Следующие ресурсы служат в качестве первичной основы информации, представленной в этом курсе
, и на них будут ссылаться в материалах курса:

 Статья 250 Национального электрического кодекса (NEC) — издание 2005 г.

 Стандарт IEEE 1100-1999 рекомендуется Практика питания и заземления чувствительного электронного оборудования

 Стандарт IEEE 142-1982 Заземление промышленных и коммерческих систем питания

 Общие сведения о тестировании сопротивления заземления AEMC (рабочая тетрадь, издание 6.0)

Для многих инженеров, подрядчиков и техников Национальный электротехнический кодекс и его статья 250 (Заземление и соединение) являются единственной основой при проектировании и установке системы заземления.

Перед началом курса жизненно важно, чтобы мы рассмотрели цель и ограничения Национального электрического кодекса (NEC) — чтобы понять, как следует применять NEC.

Статья 90.1 Национального электротехнического кодекса устанавливает его цель и намеренные ограничения:

90.1 Цель

(A) Практическая защита — Целью настоящего Кодекса является практическая защита людей и имущества от опасностей, возникающих в результате использования электричества.

(B) Соответствие — этот Кодекс содержит положения, которые считаются необходимыми для обеспечения безопасности. Их соблюдение и надлежащее обслуживание приводят к установке, которая по существу не опасна, но не обязательно эффективна, удобна или адекватна для хорошего обслуживания или будущего расширения использования электричества.

(C) Намерение — Этот Кодекс не предназначен в качестве проектной спецификации или руководства по эксплуатации для неподготовленных людей!

Согласно NEC — Инженеры, проектирующие и определяющие заземление и подключение, не должны использовать Национальный электрический кодекс (NEC) в качестве поваренной книги.

NEC не заменяет понимание теории, лежащей в основе требований кодекса.

Чтобы понять заземление и соединение, важно знать значения слов, которые мы будем использовать. В статье 110 Национального электротехнического кодекса содержатся определения слов, которые мы будем использовать в этом курсе. Они перечислены в порядке важности, не обязательно в алфавитном порядке.

Приложение 1 Различные компоненты заземления и соединения.

Заземленный проводник. Система или проводник цепи, который намеренно заземлен. Его также обычно называют нейтральным проводом в заземленной звездообразной системе.

Заземляющий провод. Проводник, используемый для соединения оборудования или заземленной цепи системы электропроводки с заземляющим электродом или электродами.

Заземляющий провод, оборудование. Проводник, используемый для подключения нетоковедущих металлических частей оборудования, кабельных каналов и других кожухов к заземленному проводнику системы, проводнику заземляющего электрода или к тому и другому на сервисном оборудовании или в источнике отдельно созданной системы.Статья 250.118 NEC описывает различные типы заземляющих проводов оборудования. Правильный выбор заземляющих проводов оборудования приведен в 250.122 и таблице 250.122.

Электрод заземления. Устройство, обеспечивающее электрическое соединение с землей.

Провод заземляющего электрода. Проводник, используемый для подключения заземляющего электрода (ов) к заземляющему проводу оборудования, к заземленному проводу или к обоим при обслуживании, в каждом здании или сооружении, где питание подается от фидера (ов) или ответвительной цепи (ов). , или в источнике отдельно производной системы.

Склеивание (скрепленное). Постоянное соединение металлических частей для образования электропроводящего пути, обеспечивающего непрерывность электрической цепи и способность безопасно проводить любой ток, который может возникнуть.

Целью соединения является создание эффективного пути для тока короткого замыкания, который, в свою очередь, облегчает работу устройства защиты от сверхтока. Это объясняется в статьях 250.4 (A) (3) и (4) и 250.4 (B) (3) и (4) Национального электротехнического кодекса. Конкретные требования к соединению содержатся в Части V Статьи 250 и в других разделах Кодекса, как указано в Статье 250 NEC.3.

Соединительная перемычка. Надежный проводник, обеспечивающий необходимую электрическую проводимость между металлическими частями, которые необходимо электрически соединить.

Заглушки концентрического и эксцентрического типа могут ухудшить электрическую проводимость между металлическими частями и фактически вызвать ненужное сопротивление в цепи заземления. Установка соединительных перемычек — это один из часто используемых методов между металлическими дорожками качения и металлическими частями для обеспечения электропроводности. Связывающие перемычки можно найти в сервисном оборудовании [NEC 250.92 (B)], подключение более 250 В (NEC 250.97) и расширительные фитинги в металлических дорожках качения (NEC 250.98). На рис. 2 показана разница между выбивками концентрического и эксцентрического типов. На Таблице 2 также показан один из методов установки соединительных перемычек при этих типах заглушек.

Приложение 2 Соединительные перемычки устанавливаются вокруг концентрических или эксцентрических выбивных отверстий.

Связывающая перемычка, оборудование. Соединение между двумя или более частями заземляющего провода оборудования.

Соединительная перемычка, основная. Соединение между заземленным проводом цепи и заземляющим проводом оборудования при обслуживании.

На рисунке 3 показана основная перемычка, используемая для обеспечения соединения между заземленным рабочим проводом и заземляющим проводом оборудования на рабочем месте. Связывающие перемычки могут быть расположены по всей электрической системе, но основная перемычка заземления находится только в служебных помещениях. Основные требования к перемычкам подключения приведены в NEC 250.28.

Приложение 3. Основная перемычка, устанавливаемая на рабочем месте, между заземленным проводником и заземляющим проводом оборудования.

Соединительная перемычка, System. Соединение между проводником заземленной цепи и проводом заземления оборудования в отдельно выделенной системе.

На рисунке 4. показана перемычка заземления системы, используемая для обеспечения соединения между заземленным проводником и заземляющим проводом (проводами) оборудования трансформатора, используемого как отдельно производная система.

Приложение 4. Перемычка заземления системы, устанавливаемая рядом с источником отдельно выделенной системы между заземленным проводником системы и заземляющим проводом (проводниками) оборудования.

Перемычки соединения системы расположены рядом с источником отдельно производной системы. В производной системе используется соединительная перемычка, если производная система содержит заземленный провод. Подобно основной перемычке заземления на сервисном оборудовании, перемычка заземления системы обеспечивает необходимое соединение между заземляющими проводниками оборудования и заземленным проводником системы, чтобы создать эффективный путь для тока замыкания на землю. Требования к перемычкам для подключения системы находятся в NEC 250.30 (А) (1).

Заземлен. Подключен к земле или к какому-либо проводящему телу, которое служит вместо земли.

с эффективным заземлением. Преднамеренно подключено к земле через заземление или соединения с достаточно низким импедансом и достаточной допустимой нагрузкой по току, чтобы предотвратить повышение напряжения, которое может привести к чрезмерной опасности для подключенного оборудования или людей.

С глухим заземлением. Подключен к земле без установки резистора или устройства импеданса.

 Распространенное заблуждение состоит в том, что заземление и соединение — это одно и то же. Хотя они связаны, это не одно и то же. Цель этого курса — прояснить каждую тему.

 В редакции Национального электротехнического кодекса 2005 г. это признается и изменено название статьи 250 (которая раньше называлась «Заземление») на «Заземление и соединение», чтобы подчеркнуть, что заземление и соединение — это две отдельные концепции, но не исключающие друг друга, и фактически, напрямую связаны между собой требованиями статьи 250.

 Соединение — это соединение двух или более проводящих объектов друг с другом с помощью проводника, такого как провод.

 Заземление, также называемое «заземлением», представляет собой особую форму соединения, при которой один или несколько проводящих объектов соединяются с землей с помощью проводника, такого как провод или стержень.

 Правильное заземление объектов (проводников) в поле обычно включает как связи между объектами, так и особую связь с землей (землей).

Заземление для целей этого курса означает намеренное соединение с землей или другим проводящим телом относительно большой протяженности, которое служит вместо земли.Другое слово для обозначения заземления — «заземление». Если мы будем помнить об этом и использовать термин «заземление» всякий раз, когда мы используем термин «заземление», это поможет нам понять, что такое заземление (или заземление), а что нет.

Соединение — это соединение проводящих частей между собой с целью поддержания общего электрического потенциала и обеспечения электрического проводящего пути, который будет гарантировать непрерывность электрической цепи и способность безопасно проводить любой ток, который может возникнуть. IEEE Std. 1100–1999.

В соответствии со статьей 250.4 (A) Национального электротехнического кодекса, ниже приведены общие требования к заземлению и соединению заземленных систем. В системе с заземлением вторичные обмотки питающего трансформатора могут иметь конфигурацию «звезда» с заземлением общей ветви или конфигурацию «треугольник» с заземленным центральным отводом или заземленным углом.

Следующие ниже общие требования определяют, какие заземления и соединения электрических систем необходимо выполнить. Для соответствия эксплуатационным требованиям этого раздела необходимо следовать предписывающим методам, содержащимся в Статье 250.

(1) Заземление электрической системы Заземленные электрические системы должны быть подключены к земле таким образом, чтобы ограничить напряжение, создаваемое молнией, скачками напряжения в сети или непреднамеренным контактом с линиями более высокого напряжения, и стабилизировать напряжение относительно земли во время нормальной работы. операция.

(2) Заземление электрического оборудования Нетоковедущие проводящие материалы, охватывающие электрические проводники или оборудование или составляющие часть такого оборудования, должны быть заземлены, чтобы ограничить напряжение относительно земли на этих материалах.

(3) Соединение электрического оборудования Нетоковедущие проводящие материалы, охватывающие электрические проводники или оборудование или составляющие часть такого оборудования, должны быть соединены вместе и с источником электропитания таким образом, чтобы установить эффективный ток замыкания на землю. дорожка.

(4) Соединение электропроводящих материалов и другого оборудования Электропроводящие материалы, которые могут оказаться под напряжением, должны быть
соединены вместе и с источником электропитания таким образом, чтобы создать эффективный путь тока замыкания на землю.

(5) Эффективный путь тока замыкания на землю Электрооборудование, проводка и другие электропроводящие материалы, которые могут оказаться под напряжением, должны быть установлены таким образом, чтобы создать постоянную цепь с низким сопротивлением, облегчающую работу устройства максимального тока или детектора заземления для системы с высокоомным заземлением. Он должен быть способен безопасно пропускать максимальный ток замыкания на землю, который может быть наложен на него из любой точки системы электропроводки, где может произойти замыкание на землю источника электропитания.Заземление не должно рассматриваться как эффективный путь тока замыкания на землю.

Давайте рассмотрим с предыдущей страницы общие требования, представленные в Национальном электротехническом кодексе для заземления и соединения, чтобы лучше понять, какие требования выполняются посредством заземления (заземления), а какие — посредством методов соединения.

 Требования (1) и (2) относятся к заземлению — они конкретно относятся к «заземлению».

 Требование (1) — это заземление системы или намеренное соединение системного проводника в заземленной системе с землей.Заявленная цель этого намеренного подключения к земле — ограничить напряжение, создаваемое молнией, скачками напряжения в сети или непреднамеренным контактом с линиями более высокого напряжения, и это стабилизирует напряжение относительно земли во время нормальной работы.

 Требование (2) выполняется путем присоединения нетоковедущих металлических предметов к заземляющему проводнику оборудования, который соединен с проводом заземляющего электрода на служебном входе и на стороне нагрузки каждой отдельно выделенной системы.

 Требования (3), (4) и (5) являются связующими. Путем соединения всех металлических предметов, которые могут оказаться под напряжением в случае неисправности (и путем обеспечения заземляющего проводника оборудования, соединенного с этими предметами и с источником), обеспечивается эффективный путь заземления, облегчающий работу устройств защиты от перегрузки по току. Проще говоря, путь тока короткого замыкания должен иметь достаточно низкое сопротивление, чтобы пропускать ток короткого замыкания достаточно высокой величины, чтобы вызвать срабатывание защитного устройства на входе.Связывание также помогает обеспечить безопасность персонала, так что кто-то, прикоснувшись к двум частям оборудования одновременно, не получит шока, став путем выравнивания, если они окажутся под разными потенциалами. По той же причине, по которой соединение защищает людей, оно защищает оборудование, уменьшая ток по проводам питания и данных между частями оборудования с разными потенциалами.

Важно понимать разницу между соединением и заземлением. Имейте в виду, что земля (грунт) является плохим проводником, и на нее нельзя полагаться как на часть пути возврата тока замыкания на землю — это путь, предназначенный для устранения замыкания.Причина, по которой никогда нельзя полагаться на землю / почву как часть обратного пути от замыкания на землю, связана с ее высоким сопротивлением.

Сопротивление земли примерно в один миллиард раз больше, чем у меди (в соответствии со стандартом IEEE 142, раздел 2.2.8), и обеспечивает возврат к источнику только нескольких ампер (1-10).

Стандарт 142 Института инженеров по электротехнике и радиоэлектронике гласит: «Самая сложная система заземления, которую можно спроектировать, может оказаться неадекватной, если соединение системы с землей не является адекватным и имеет низкое сопротивление.Отсюда следует, что заземление является одной из наиболее важных частей всей системы заземления. Это также самая сложная часть для проектирования и получения … Для небольших подстанций и промышленных предприятий в целом должно быть получено сопротивление менее 5 Ом, если это практически возможно ».

Однако с практической точки зрения на заземляющий электрод, независимо от его сопротивления, нельзя полагаться на устранение замыкания на землю. Если оборудование эффективно заземлено и соединено, то должен быть предусмотрен путь с низким сопротивлением (не через заземляющий электрод к земле и через землю обратно к источнику), чтобы облегчить работу устройств максимального тока в цепи.В то время как минимальное практическое сопротивление заземляющего электрода желательно и будет лучше ограничивать потенциал рамы оборудования над землей, более важно обеспечить путь с низким импедансом для быстрого устранения повреждения в целях обеспечения безопасности. Чтобы получить наименьшее практическое сопротивление, цепь заземления оборудования должна быть подключена к заземленному проводу внутри вспомогательного оборудования.

Ни заземление (заземление), ни система заземляющих электродов не помогают устранять электрические неисправности. Именно соединение металлических предметов с заземляющим проводом оборудования обратно к источнику обеспечивает путь с достаточно низким импедансом, позволяющим срабатывать защитным устройствам от сверхтоков и устранять неисправности.Если путь замыкания на землю опирается на землю, то тока короткого замыкания (из-за высокого импеданса) будет недостаточно для срабатывания защитного устройства
.

Помните закон Ома, V = I x R? Рассмотрим следующий пример. Фазный провод на 120 В намеренно подключается непосредственно к земле (если оголенный провод под напряжением был соединен с заземляющим стержнем в грязи), а заземляющий стержень имеет сопротивление 25 Ом к заземленному источнику питания (трансформатору). В этом сценарии будет получено чуть менее 5 Ампер (4.8А) тока замыкания на землю. Это преднамеренное соединение с землей не даст достаточного тока короткого замыкания для отключения даже автоматического выключателя на 20 А, поскольку автоматический выключатель на 20 А может непрерывно выдерживать 16 Ампер.

Такой же высокий импеданс земли, который ограничивает ток короткого замыкания до уровней, меньших, чем требуется для размыкания защитных устройств, создаст опасные скачки напряжения или напряжения прикосновения в непосредственной близости от заземляющего стержня, которые могут быть смертельными. Несколько человек умерли в последние годы именно из-за этого состояния, когда столбы уличного освещения были заземлены заземляющими стержнями, но не имели заземляющих проводов оборудования, которые могли бы служить эффективным путем обратного тока короткого замыкания к источнику питания.

Давайте исследуем факторы, которые влияют на сопротивление систем заземляющих электродов (давайте использовать стержни для обсуждения).

 Сопротивление электрода (разница всего в несколько миллиОм между различными обычно используемыми материалами и размерами — IEEE Std 142-1982). Сопротивление электрода зависит от материала стержня и площади поверхности стержня. Площадь поверхности стержня зависит от диаметра стержня.

 От стержня к поверхности почвы (незначительный фактор — обычно составляет лишь долю Ом — если стержень вбивается в уплотненный грунт и не является рыхлым — IEEE Std 142-1982) Различия в размерах заземляющих стержней и материалах делают небольшая заметная разница в сопротивлении электрода (однако материал стержня играет роль в ожидаемом сроке службы стержня).

 Контактное сопротивление между стержнем и окружающей почвой. Если стержень вбивается в уплотненный грунт, тогда сопротивление между стержнем и окружающей почвой не является существенным фактором (это обсуждается более подробно в разделе, посвященном стержням для заземления с глубоким забиванием).

 Сопротивление почвы, окружающей электрод (самый большой фактор). В правильно установленной системе заземляющих электродов сопротивление почвы является ключевым фактором, определяющим, каким будет сопротивление заземляющего электрода и на какую глубину необходимо ввести стержень, чтобы получить низкое сопротивление заземления.
Удельное сопротивление почв зависит от глубины от поверхности, типа концентрации растворимых химических веществ (минералов и растворенных солей) в почве, содержания влаги и температуры почвы. Другими словами, удельное сопротивление определяется электролитом в почве. Сопротивление заземляющего стержня 5/8 ”для типичных типов грунта из IEEE 142-1982 представлено ниже:

Вот несколько удивительных фактов:

Согласно этой таблице IEEE 142-1992, 10-дюймовый заземляющий стержень приводится в действие в двух из четырех категорий типов грунтов в среднем не обеспечивали сопротивления 25 Ом или менее! Это обычное дело во многих районах с песчаной почвой.

Присутствие поверхностных вод не обязательно указывает на низкое удельное сопротивление (IEEE Std 142-1982).

Недавний проект наглядно иллюстрирует истинность этого утверждения. Почва водомелиоративного сооружения всегда была влажной. Инженеры-электрики, исследующие проблемы с заземлением на объекте, наивно полагали, что постоянное присутствие воды (из-за высокого уровня грунтовых вод) гарантирует низкое удельное сопротивление почвы и что отдельных стержней заземления или, возможно, параллельных стержней заземления будет достаточно для создания заземления с низким сопротивлением. (заземление).Однако все было наоборот. Дальнейшие исследования показали, что высокий уровень грунтовых вод был связан с подземным водным потоком. Буквально через это место протекала река, которая была частью гидрологии района. Почва была очень песчаной.

Со временем все существующие растворимые минералы растворялись и уносились медленно текущей водой, оставляя песок и дистиллированную воду — оба отличные изоляторы!

Это открытие радикально изменило направленность исследования заземления площадки и соответствующих корректирующих действий, заставив инженеров задуматься о стратификации почвы.

Обычные методы заземления, которым в течение последних сорока лет обучали производителей заземления и тестирования заземления, основаны на предполагаемом однородном состоянии почвы. Традиционные методы породили практические правила, которые стали приняты многими инженерами
как стандартные практики. Одна из таких практик заключалась в том, что как удвоение глубины заземляющего стержня, так и установка двух параллельных заземляющих стержней были одинаково эффективными методами для снижения сопротивления стержня (ов) относительно земли.Эти практические правила предполагали, что почва однородна — что почва остается того же типа и сопротивления при погружении на большую глубину. На практике на многих территориях есть слоистая почва, а не однородная почва.

Как ответственные инженеры, мы должны помнить, что практика использования параллельных заземляющих стержней, иногда соединенных по схеме треугольника, которая была разработана с использованием методов, предполагающих однородность грунтовых условий, может быть не лучшей практикой для слоистых почвенных условий.

Мы рассмотрим это более подробно в следующем разделе.

Что может служить заземляющим электродом?

Помните — заземляющий электрод является средством выполнения двух из пяти требований к заземлению и соединению, перечисленных в Национальном электротехническом кодексе.

(1) Заземление электрической системы Заземленные электрические системы должны быть подключены к земле таким образом, чтобы ограничить напряжение, создаваемое молнией, скачками напряжения в сети или непреднамеренным контактом с линиями более высокого напряжения, и стабилизировать напряжение относительно земли во время Нормальная операция.

(2) Заземление электрического оборудования Нетоковедущие проводящие материалы, охватывающие электрические проводники или оборудование или составляющие часть такого оборудования, должны быть заземлены, чтобы ограничить напряжение относительно земли на этих материалах.

В соответствии с Национальным электротехническим кодексом в качестве заземляющих электродов можно использовать следующие электроды, и если их более одного, они должны быть соединены вместе:

 Подземная металлическая водопроводная труба (NEC 250.52 (A) (1))

 Металлический каркас конструкции (NEC 250.52 (A) (2))

 Заземляющий электрод в бетонном корпусе (также известный как заземление UFER) (NEC 250,52 (A) (3))

 Кольцо заземления (NEC 250,52 (A) (4))

 Заземляющий стержень (NEC 250.52 (A) (5))

 Заземляющие пластины (NEC 250.52 (A) (6))

В Национальных электротехнических правилах указаны конкретные требования к установке для каждого типа электрода.

Два или более заземляющих электрода, которые эффективно соединены вместе, должны рассматриваться как единая система заземляющих электродов.

Давайте рассмотрим различные места, где требуется заземление (имеется в виду преднамеренное соединение или подключение к системе заземления). Национальный электротехнический кодекс требует следующего:

Служебный вход — Статья 250.24 (A) NEC требует, чтобы в системе электропроводки помещения, снабжаемой заземленной службой переменного тока, был провод заземляющего электрода, соединенный с заземленным служебным проводом (также называемый нейтралью). дирижер). Статья 250.24 (A) (1) требует, чтобы соединение выполнялось в любой доступной точке от конца нагрузки на линии ответвления или боковой линии обслуживания до терминала или шины, к которым подключен заземленный провод (нейтраль), на стороне обслуживания, включительно. отключающие средства.Это переводится в одно из трех мест, как показано ниже:

Отдельно производные системы — Обратитесь к разделу VI для обсуждения отдельно производного заземления системы.

Металлические водопроводные и другие металлические трубопроводы, которые могут оказаться под напряжением — 250.104 (A) и (B) требует, чтобы металлическая система водяных трубопроводов была подключена к системе заземления в любом из следующих мест: корпус вспомогательного оборудования, заземленный провод на обслуживания, провод заземляющего электрода или заземляющих электродов.В то время как металлические водопроводные трубы должны быть заземлены, другие системы металлических трубопроводов должны быть соединены с землей (заземлены) только в том случае, если есть вероятность того, что они будут под напряжением — то есть там, где в оборудовании имеются механические трубопроводы и электрические соединения (например, газовые приборы). .

Конструкционный металл — 250.104 (C) требует наличия открытого конструкционного металла, который соединен между собой для образования металлического каркаса здания и не заземлен намеренно и может оказаться под напряжением, должен быть соединен с землей либо в корпусе сервисного оборудования, либо в заземленном проводе в сервисе. , провод заземляющего электрода или к заземляющим электродам.

Если система переменного тока подключена к заземляющему электроду в здании или сооружении или на них, тот же электрод должен использоваться для заземления корпусов проводников и оборудования внутри или на этом здании или сооружении. Если отдельные службы, фидеры или ответвления питают здание и должны быть подключены к заземляющему электроду (ам), следует использовать тот же заземляющий электрод (а). Это необходимо для того, чтобы все металлические объекты в конструкции имели одинаковый потенциал земли.

Какое сопротивление земли требуется? Допустимый?

Если вас спросят: «Сколько Ом сопротивления земли требуется Национальным электрическим кодексам (NEC) для заземления системы?» Что бы вы сказали? А) 25 Ом? Б) 10 Ом? В) 100 Ом? Или D) Вы бы сказали, что NEC не устанавливает минимальных требований?

Если бы вы ответили D), вы были бы правы! Как бы трудно в это поверить, но в Национальном электротехническом кодексе не указано минимальное сопротивление заземления для заземления системы.

Давайте посмотрим на статью 250-56 NEC

250.56 Сопротивление стержневых, трубных и пластинчатых электродов:

 Отдельный электрод, состоящий из стержня, трубы или пластины, не имеющий сопротивления заземления 25 Ом или менее, должен может быть дополнен одним дополнительным электродом любого из типов, указанных в пунктах от 250,52 (A) (2) до (A) (7). Если в соответствии с требованиями этого раздела установлено несколько стержневых, трубных или пластинчатых электродов, они должны находиться на расстоянии не менее 1,8 м (6 футов) друг от друга.

 FPN: эффективность параллельного включения стержней длиннее 2.5 м (8 футов) увеличивается за счет расстояния более 1,8 м (6 футов).

Обратите внимание, что NEC говорит, где «Один электрод…». Также обратите внимание, что это не требует повторных испытаний и установки дополнительных стержней или стержней дополнительной длины до тех пор, пока не будет достигнуто сопротивление 25 Ом или меньше. Эта статья NEC позволяет подрядчику запускать две штанги, разнесенные на 6 футов друг от друга, не проводить наземных испытаний и прекращать работу!

Многие районы имеют слоистую (то есть слоистую) песчаную почву. Наиболее чистый песок — это кварц, диоксид кремния (SiO2).Диоксид кремния — это высококачественный электрический изолятор, который обычно используется в качестве барьерного материала при имплантации примесей или диффузии, для электрической изоляции полупроводниковых устройств, в качестве компонента металлооксидных полупроводниковых (MOS) транзисторов или в качестве межслойного диэлектрика при многоуровневой металлизации. структуры, такие как многочиповые модули
. Песок — хороший изолятор; это НЕ хороший заземляющий материал.

Чтобы выйти из слоистых песчаных почв, необходимо продвинуть заземляющие стержни глубже через слой песка (каким бы глубоким он ни был) в более проводящую почву.

Установка нескольких параллельных стержней в песчаный грунт не имеет большого значения, если требуется соединение с землей с низким сопротивлением — вы должны пройти под слоем песка.

Национальный электротехнический кодекс содержит две таблицы, в которых указаны размеры заземления и соединения.

 Таблица 250.66 Заземляющий провод для систем переменного тока

 Таблица 250.122 Минимальный размер заземляющих проводов оборудования для заземляющих каналов и оборудования.

Таблица 250.66 Провод заземляющего электрода для систем переменного тока

Примечания:
1.Если используются несколько наборов служебных вводных проводников, как это разрешено в 230.40, исключение № 2, эквивалентный размер самого большого служебного вводного проводника должен определяться по наибольшей сумме площадей соответствующих проводников каждого набора.
2. Если нет проводов для входа в сервисный центр, размер жилы заземляющего электрода должен определяться эквивалентным размером самого большого входного проводника, необходимого для обслуживаемой нагрузки.

Таблица 250.122 Минимальный размер заземляющих проводов оборудования для заземляющих дорожек и оборудования

Примечание:
Если необходимо соблюдать 250.4 (A) (5) или (B) (4), заземляющий провод оборудования должен иметь сечение больше, чем указано в этой таблице.
* См. Ограничения на установку в 250.120.

Источником этих таблиц был отчет комитета IEEE «Руководство по безопасности при заземлении подстанций переменного тока». В отчете комитета обсуждалась обоснованность размеров заземляющих проводов, указанных в таблицах, исходя из типичной длины проводника 100 футов и падения напряжения на проводнике на основе этой длины 100 футов. [Руководство к Национальному электротехническому кодексу — Грегори Биералс — Институт проектирования электрооборудования].Для длин более 100 футов «минимальный размер», указанный в таблице, может оказаться недостаточным для устранения неисправности или проведения тока повреждения, которому она подвержена.

С практической точки зрения, проводники заземляющих электродов редко проектируются так, чтобы их длина превышала 100 футов, и на Таблицу 250.66 можно положиться почти без исключения.

Заземляющие проводники оборудования, с другой стороны, часто длиннее 100 футов, то есть всегда, когда длина ответвительной цепи или фидера заземляющего проводника оборудования, с которым они установлены, превышает 100 футов.В этих ситуациях минимальный провод заземления оборудования, указанный в таблице 250.122, не будет достаточным для пропускания и / или снятия ожидаемых токов короткого замыкания.

Опытные инженеры-электротехники и специалисты по проектированию знакомы с необходимостью увеличения размеров проводников для длинных ответвлений цепи и проводов фидера для решения и смягчения проблем, связанных с падением напряжения. В статье 250.122 (B) указывается, что заземляющий провод оборудования также должен быть увеличен.

250.122 (B) Увеличенный размер — Если размер незаземленных проводов увеличен, заземляющие проводники оборудования, если они установлены, должны быть увеличены в размере пропорционально круговой миловой площади незаземленных проводников.

Заземляющие провода оборудования на стороне нагрузки средств отключения обслуживания и устройств максимального тока подбираются в зависимости от размера устройств максимального тока фидера или ответвленной цепи перед ними.

Если незаземленные проводники цепи (токоведущие, линейные) увеличены в размере для компенсации падения напряжения или по любой другой причине, связанной с правильной работой схемы, заземляющие проводники оборудования должны быть пропорционально увеличены.

Пример:

240-вольтовая однофазная 250-амперная нагрузка питается от 300-амперного выключателя, расположенного в щитке на расстоянии 500 футов.«Нормальная» цепь (без увеличения размера для ограничения падения напряжения) будет состоять из медных проводников на 250 тыс. Куб. М с медным заземляющим проводом оборудования 4 AWG. Если количество проводников было увеличено до 350 тыс. Куб. М из соображений падения напряжения, каков минимальный размер заземляющего проводника оборудования с учетом требования пропорционального увеличения?

Решение

ШАГ 1.

Рассчитайте соотношение размеров проводов увеличенного диаметра и проводов нормального сечения:

ШАГ 2.

Рассчитайте площадь поперечного сечения заземляющего проводника оборудования увеличенного размера, умножив соотношение размеров на площадь поперечного сечения заземляющего проводника оборудования стандартного размера, взятую из Таблицы 250.122 для защитного устройства на 250 А (необходимо использовать следующее большее значение или 300 А). В таблице 250.122 указано, что подходит медный провод номер 4 AWG. В соответствии с главой 9 таблицы 8 Национального электротехнического кодекса — Свойства проводника
(см. Стр. 21) заземляющий провод 4 AWG имеет поперечное сечение 41 740 круглых мил.

Соотношение размеров x круговые милы заземляющего проводника

1,4 x 41,740 круглых милов = 58 436 круглых милов

ШАГ 3.

Определите сечение заземляющего проводника нового оборудования.

Опять же, обращаясь к таблице 8 главы 9, мы обнаруживаем, что 58 436 круглых милов больше 3 AWG. Следующий больший размер — 66 360 круглых милов, который преобразуется в медный заземляющий провод для оборудования 2 AWG.

Для данного сценария нормальный заземляющий провод оборудования, указанный в Таблице 250.122 для цепи на 250 А будет медным заземляющим проводом № 4 AWG. В этом случае заземляющий провод оборудования необходимо увеличить до медного заземляющего провода № 2 AWG, чтобы соответствовать требованиям статьи 250.122 (B) NEC. Целью этого требования по увеличению размера является обеспечение проводника, имеющего соответствующий размер, чтобы выдерживать и устранять ожидаемые токи короткого замыкания.

NEC Ch. 9 Таблица 8

Согласно требованиям Национального электрического кодекса (NEC), нейтраль и заземляющий провод оборудования должны быть подключены к главной сервисной панели и вторичной стороне отдельно выделенной системы (подробнее об этом ниже).NEC разрешает использовать только одно соединение нейтрали с землей в каждой отдельно производной системе. Неправильное дополнительное соединение нейтрали с землей — довольно распространенная проблема, которая не только создает опасность поражения электрическим током для обслуживающего персонала, но также может ухудшить характеристики электронного оборудования. Неправильное соединение нейтрали и заземления в розетках можно обнаружить с помощью тестера проводки и заземления, предназначенного для этой цели.

Вольтметр также может использоваться для определения наличия неправильных соединений в розетках.Измерение напряжения между нейтралью и землей на розетках может указывать на напряжение в диапазоне от милливольта до нескольких вольт при нормальных рабочих условиях и в зависимости от нагрузки, длины цепи и т. Д. Однако показание 0 В может указывать на наличие ближайшей нейтрали. — земляная связь. Чрезмерный ток заземления оборудования в распределительных щитах также указывает на возможность заземления нейтрали на стороне нагрузки. Визуальный осмотр нейтральной шины внутри щитков необходим, чтобы проверить расположение этих дополнительных и неправильных соединений.

Если в отдельно созданной системе существует более одной связи нейтраль-земля, это приводит к намеренному соединению (или соединению) проводов нейтрали и земли в двух местах. Это создает параллельное соединение, в котором ток нейтрали делится на часть, возвращающуюся на нейтраль, а остальная часть возвращается к источнику через путь заземления оборудования в соответствии с законом Ом (ток будет делиться пропорционально, чтобы пройти путь наименьшего сопротивления с напряжением падение по каждой параллельной траектории одинаково).На рисунке ниже представлены два варианта предотвращения протекания нежелательного тока в системе заземления (и соединения).

Отдельно производные системы — это системы, которые не имеют прямого соединения между выходными проводниками питания и входными проводниками питания. Это трансформаторы без прямого соединения между нейтралью первичной системы и вторичной нейтралью, только системы ИБП, которые включают в себя изолирующие трансформаторы, таким образом получая новый нейтральный системный проводник (примечание — все системы ИБП не являются отдельно производными системами), и комплекты двигателей-генераторов, которые подключаются к системе электропроводки здания через 4-полюсный автоматический переключатель являются отдельно производными системами, потому что у них есть отдельная нейтраль, которая не имеет прямого соединения с нейтралью электросети (из-за 4-го полюса безобрывного переключателя).Двигатель — генераторные установки, использующие 3-полюсные системы переключения, имеют прямое соединение с нейтралью энергосистемы общего пользования, не являются отдельно производными системами и не могут иметь заземления нейтрали на двигателе-генераторной установке. [IEEE Std 1100-1999]

Есть много дискуссий об отдельных или специальных основаниях, связанных с чувствительным электронным оборудованием. Статья 250.96 (B) Национального электротехнического кодекса разрешает изолировать электронное оборудование от кабельного канала таким же образом, как шнур и подключенное к вилке оборудование изолируются от кабельного канала.

250,96 (B) Изолированные цепи заземления. Если требуется для снижения электрического шума (электромагнитных помех) в цепи заземления, корпус оборудования, питаемый от ответвленной цепи, должен быть разрешен для изоляции от кабельного канала, содержащего цепи, питающие только это оборудование, с помощью одного или нескольких перечисленных неметаллических фитингов кабельного канала, расположенных в точку крепления кабельного канала к корпусу оборудования. Металлический кабельный канал должен соответствовать положениям данной статьи и должен быть дополнен внутренним изолированным заземляющим проводом оборудования, установленным в соответствии с 250.146 (D), чтобы заземлить корпус оборудования.

FPN (ПРИМЕЧАНИЕ FINE PRINT): Использование изолированного заземляющего провода оборудования не отменяет требования по заземлению системы кабельных каналов.

Ключом к этому методу заземления электронного оборудования является постоянное обеспечение того, чтобы изолированный заземляющий провод, независимо от того, где он заканчивается в системе распределения, был подключен таким образом, чтобы создать эффективный путь для тока замыкания на землю (через соединение), как требуется NEC 250.4 (А) (5).

Хотя использование изолированных заземляющих проводов оборудования может быть полезным для снижения электромагнитных помех, очень важно, чтобы требование изолированного заземления НЕ приводило к изолированному, изолированному или иным образом не подключенному к заземлению заземлению системы электродов здания. Такой изолированный стержень заземления (соединение с землей) нарушит NEC 250.50.

250,50 Система заземляющих электродов Все заземляющие электроды, как описано в пунктах 250.52 (A) (1) — (A) (6), которые имеются в каждом обслуживаемом здании или сооружении, должны быть соединены вместе, чтобы сформировать систему заземляющих электродов.

Причина, по которой изолированный заземляющий стержень (то есть тот, который не соединен с другими заземленными или заземленными электродами) запрещен, и что NEC требует, чтобы отдельные заземляющие электроды были соединены вместе, заключается в уменьшении разницы потенциалов между ними из-за молния или случайный контакт с линиями электропередач. Системы молниезащиты, связи, радио и телевидения, а также заземления системы кабельного телевидения ВСЕ должны быть соединены вместе, чтобы минимизировать потенциальные различия между системами.Отсутствие соединения (или соединения) всех компонентов заземления может привести к серьезному поражению электрическим током и пожару.

Например, для установки кабельного телевидения, показанной на Рисунке 250.39, предположим, что ток индуцируется в линии электропередачи импульсным перенапряжением или близлежащим ударом молнии, так что мгновенный ток силой 1000 ампер возникает по линии электропередачи к источнику питания. линия земли. Такая сила тока не является чем-то необычным при таких обстоятельствах — она ​​может быть и часто бывает значительно выше.Также предположим, что сопротивление заземления питания составляет 10 Ом, что в большинстве случаев является очень низким значением (одиночный заземляющий стержень в среднем грунте имеет сопротивление относительно земли около 40 Ом).

Приложение 250.39 Установка кабельного телевидения, не соответствующая Кодексу, демонстрирующая, почему необходимо соединение между различными системами. Согласно закону Ома, ток через оборудование, подключенное к электрической системе, будет мгновенно повышаться до потенциала 10 000 вольт (1000 вольт). амперы × 10 Ом).Этот потенциал в 10000 вольт будет существовать между системой CATV и электрической системой
, а также между заземленным проводником в кабеле CATV и заземленными поверхностями в стенах дома, такими как водопроводные трубы (которые подключены к заземлению). по которому проходит кабель. Этот потенциал также может появиться у человека, держащего одной рукой кабель кабельного телевидения, а другой рукой — металлическую поверхность, подключенную к заземлению (например, радиатор или холодильник).

Фактическое напряжение, вероятно, будет во много раз больше расчетных 10 000 вольт, поскольку для сопротивления заземления и тока были приняты чрезвычайно низкие (ниже нормального) значения.Однако большинство систем изоляции не рассчитано выдерживать даже 10 000 вольт. Даже если система изоляции действительно выдерживает скачок напряжения в 10 000 вольт, она может быть повреждена, и выход из строя системы изоляции приведет к искрообразованию.

Такая же ситуация могла бы существовать, если бы скачок тока был на кабеле CATV или телефонной линии. Единственная разница будет заключаться в напряжении, которое будет зависеть от индивидуального сопротивления заземляющих электродов относительно земли.

Решение состоит в том, чтобы соединить две системы заземляющих электродов вместе или соединить оболочку кабеля CATV с заземлением питания, что в точности и требуется Кодексом.Когда одна система поднимается выше потенциала земли, вторая система достигает того же потенциала, и между двумя системами заземления отсутствует напряжение.

Exhibit 250.40 Установка кабельного телевидения, соответствующая требованиям 250.94.

Ниже приведены примеры реальных случаев, когда отдельные заземления или предметы, которые должны быть заземлены (заземлены), были изолированы друг от друга (не соединены вместе):

 Женщина заметила «покалывание» электричеством, когда принимала душ. Расследование показало, что между сливом для душа и ручками для душа присутствовало электрическое напряжение.Тот факт, что женщина была босиком с мокрыми руками (а люди часто бывают в душе!), Способствовал тому, что она чувствовала разницу в напряжении. Причиной проблемы были паразитные напряжения, создаваемые воздушной распределительной линией. Разница в напряжении была между колодцем и септической системой. Решением было скрепить дренажную и водопроводную трубы вместе.

 Владелец бизнеса жаловался на постоянные сбои компьютерного модема и компьютера. Коммунальная компания обнаружила, что отказы произошли по совпадению с перебоями в электроснабжении (замыкание на землю) на одном из основных фидеров, обслуживающих объект.Проведенное расследование показало, что телефонная, водопроводная и силовая площадки были электрически изолированы (не соединены друг с другом). Правильное соединение (соединение) систем устранило дальнейшие проблемы с этим клиентом.

[Примеры приведены из статьи «Заземление энергетических систем: практическая точка зрения», номер статьи PCIC-2002-xx Джон П. Нельсон, сотрудник IEEE]

Термин «заземление Ufer» назван в честь консультанта, работающего в США. Армия во время Второй мировой войны. Техника Mr.Придуманный Уфер был необходим, потому что на участке, нуждающемся в заземлении, не было грунтовых вод и мало осадков. Это место в пустыне представляло собой серию хранилищ бомб в районе Флагстаффа, штат Аризона.

Принцип Уфер земли прост. Его очень эффективно и недорого устанавливать при новом строительстве. Земля Уфер использует агораскопические свойства бетона. Бетон быстро впитывает влагу и очень медленно теряет влагу. Минеральные свойства бетона (известь и другие) и присущий им pH означает, что бетон имеет запас ионов для проведения тока.Почва вокруг бетона становится «легированной» бетоном. В результате pH почвы повышается и понижается, что обычно составляет 1000 Ом · метр в почвенных условиях (трудно получить хорошую почву). Присутствующая влага (бетон очень медленно отдает влагу) в сочетании с «легированной» почвой являются хорошим проводником для электрической энергии или тока молнии.

Эффект почти такой же, как и при химической обработке почвы вокруг электрода. Авторы статьи IEEE 1969 года пришли к выводу о следующих обширных испытаниях такой электродной системы: «.. . Сети из арматурных стержней… бетонных оснований обеспечивают приемлемо низкое сопротивление заземления, с возможностью защиты от коротких замыканий и импульсных токов, подходящих для всех типов заземления конструкций и цепей. . . . Не последним преимуществом системы арматуры является ее доступность и низкая стоимость ». [Фаган и Ли, «Использование бетонных закрытых арматурных стержней в качестве заземляющих электродов», Конференция по нефтяной и химической промышленности 1969 г.]

Методы Ufer используются при строительстве нижних колонтитулов, бетонных полов, радио- и телебашен, анкеров для опорных тросов, освещения столбы и др.Медная проволока не работает как «уферское» заземление из-за pH-фактора бетона (обычно + 7pH). Использование стальной арматуры в качестве «уферского» грунта работает хорошо, и бетон не трескается и не отслаивается, как это было в случае с медью. Использование медной проволоки, привязанной к стержням арматуры, находящимся вне бетона, не вызывает ни одной из этих проблем.

Минимальный размер арматуры, необходимой для предотвращения проблем с бетоном, зависит от:

1. Тип бетона, его содержание, плотность, удельное сопротивление, коэффициент pH и т. Д.

2. Площадь поверхности бетона, контактирующей с почвой.

3. Удельное сопротивление почвы и содержание грунтовых вод.

4. Размер и длина арматурного стержня, проволоки или пластины.

5. Величина тока удара молнии.

На следующей диаграмме показана проводимость тока молнии на фут арматурного стержня (арматурного стержня). Учитывается только внешний арматурный стержень. Арматурный стержень в центре нижнего колонтитула или фундамента не учитывается в этом расчете. В нижнем колонтитуле траншеи можно учитывать только арматуру по бокам и внизу нижнего колонтитула.

Г-н Уфер не знал, что он нашел, пока не экспериментировал с проволокой различной длины в бетоне. Сегодняшний информированный инженер извлекает выгоду из открытия г-на Уфера и привяжет стержни стальной арматуры в здании или другом фундаменте к электрическому заземлению здания. При присоединении к электрическому заземлению, строительной стали и т. Д. Армированный пол и фундамент здания становятся частью системы заземления здания. Результатом является значительно улучшенная система заземления с очень низким общим сопротивлением относительно земли.

Если бы одного заземления Ufer было достаточно, производители заземляющих стержней обанкротились бы. Но одной только земли Уфер этого недостаточно. Немногие здания, даже те, которые строятся сегодня, построены с учетом преимуществ земли Уфер. Часто можно увидеть использование «заземления Ufer» на военных объектах, компьютерных залах и других сооружениях с очень специфическими характеристиками заземления. Это не распространено на большинстве промышленных предприятий, офисных зданий и жилых домов. Сегодня более распространенным является заземление в соответствии с минимальными национальными и местными электротехническими нормами.Это будет включать в себя один или несколько приводных заземляющих стержней, подключенных (соединенных) к нейтральному проводу электрического служебного входа.

В 2005 году NEC был пересмотрен, чтобы четко требовать включения UFER или электрода в бетонном корпусе (теперь 250,52 (A) (3)) в систему заземляющих электродов для зданий или сооружений, имеющих бетонное основание или фундамент без площадь поверхности менее 20 футов в непосредственном контакте с землей. Это требование применяется ко всем зданиям и сооружениям с фундаментом и / или опорой размером 20 футов или более или более 1/2 дюйма.или армирующая сталь с большей электропроводностью, или 20 футов или более из чистой меди не менее 4 AWG.

Заземляющие стержни бывают разных форм, но чаще всего в заземлении электрических сетей используются заземляющие стержни из оцинкованной стали. Пожалуйста, помните, лучший день для заземляющего стержня (удельное сопротивление) — это день его установки. Коррозия, остекление и т. Д. — все это факторы, снижающие эффективность заземляющих стержней.

Стержни заземления обычно делятся на один из следующих размеров; 1/2 дюйма, 5/8 дюйма, 3/4 дюйма и 1 дюйм.Они бывают из стали с покрытием из нержавеющей, оцинкованной или медной стали и могут быть из твердой нержавеющей стали или из мягкой (без плакировки) стали. Их можно приобрести с отрезками без резьбы или с резьбой, которые различаются по длине. Наиболее распространенная длина — 8 футов и 10 футов. Некоторые из них будут иметь заостренный конец, другие будут иметь резьбу и могут быть соединены вместе для образования более длинных стержней при движении.

Эффективность заземляющего стержня диаметром 1 дюйм над стержнем заземления 1/2 дюйма минимальна при снятии показаний сопротивления. Штанги большего размера выбираются для более сложных почвенных условий.Глиняные или каменистые условия часто требуют использования силовых приводов, похожих на ударные, используемые механиками при работе с вашим автомобилем. Обычно они бывают электрическими или пневматическими. Силовые приводы при использовании с тяжелыми заземляющими стержнями диаметром 1 дюйм будут работать на большинстве почв.

Пруток с медным покрытием диаметром 1 дюйм по сравнению с прутком с медным покрытием 1/2 дюйма в тех же почвенных условиях дает повышение производительности примерно на 23%. Площадь поверхности стержня 1/2 дюйма составляет 1,57 по сравнению со стержнем 1 дюйм при 3,14 (3,14 x.5 = 1,57 и 3,14 х 1 = 3,14). Таким образом, удвоение площади поверхности дает улучшение производительности примерно на 23%.

Покрытие заземляющих стержней предназначено для защиты стали от ржавчины. Большинство думает, что оболочка (медь на стальном стержне) предназначена для увеличения проводимости стержня. Это действительно способствует проводимости, но основная цель покрытия — предохранить стержень от ржавчины.

Не все плакированные заземляющие стержни одинаковы, и важно, чтобы плакированный стержень имел достаточно толстую оболочку.Высококачественные промышленные заземляющие стержни из стали, плакированной медью, могут стоить немного дороже, но они оправдывают небольшие дополнительные затраты.

Когда заземляющий стержень вбивается в каменистую почву, он может поцарапать покрытие, и стержень заржавеет. В сухом виде ржавчина не проводит электричество, это хороший изолятор. Когда он влажный, он все еще не такой проводящий, как медь на стержне. Можно проверить pH почвы, и это должно определить тип используемого стержня. В почвенных условиях с высоким pH следует использовать только высококачественные плакированные стержни.Если почва очень кислая, лучше всего подойдут нержавеющие стержни. Один из самых популярных стержней заземления — стержень заземления из оцинкованной (горячеоцинкованной) стали.

Этот стержень используется с медными и алюминиевыми проводниками для формирования заземления служебного входа в большинстве зданий и жилых домов. Это плохой выбор для определения удельного сопротивления грунта с течением времени. Стыки между заземляющим стержнем и проводом выполняются выше или ниже поверхности земли и в большинстве случаев подвержены постоянной влажности. В лучших условиях соединение двух разнородных материалов со временем приведет к коррозии и увеличению сопротивления.

При соединении разнородных материалов происходит электролиз. Если алюминий используется с медью, которая не покрыта оловом, алюминий будет разъедать медь, оставляя меньшую площадь поверхности для контакта, и соединение может расшататься и даже вызвать искрение. Любой резкий удар или удар могут привести к разрыву соединения. При установке в грунт не рекомендуется использовать луженую проволоку. Олово, свинец, цинк и алюминий более анодны, чем медь, и они пожертвуют (исчезнут) в почве.При подключении над поверхностью почвы в распределительном щите допускается использование луженой проволоки.

Имейте в виду, что статья 250.64 Национального электротехнического кодекса указывает, что алюминиевые или медные алюминиевые заземляющие проводники не должны соприкасаться с почвой или бетоном и должны иметь концевые заделки не менее чем на 18 дюймов выше готовой конструкции при использовании на открытом воздухе.

Другой способ лечения коррозии стыков — это использование герметика для швов для предотвращения образования мостиков влаги между металлами.Наиболее популярными соединениями являются частицы меди или графита, погруженные в консистентную смазку. Использование аналогичного материала — лучшее решение, поскольку даже стыковые смеси могут потерять свою эффективность, если их не поддерживать в надлежащем состоянии, но их использование предпочтительнее, чем сухое соединение. Соединения работают путем погружения частиц в металлы, чтобы сформировать чистый стык с низким сопротивлением, лишенным воздуха, когда они находятся под давлением. Это давление обеспечивается за счет затягивания зажима на проводе и стержне.

Проблема разнородных материалов не встречается в стальных стержнях, плакированных медью.Из всех вариантов по разумной цене лучшим выбором будет стальной пруток, плакированный медью с медным проводником. Если бы деньги не были предметом, золотой проводник и заземляющий стержень были бы идеальными, но вряд ли экономически практичными.

Ведомый стержень намного лучше по сравнению со стержнем с обратным наполнением. Плотность ненарушенного грунта намного выше, чем даже уплотненного грунта. Связь грунта со стержнем — ключ к производительности удилища.

Одним из интересных аспектов проводников заземляющих электродов является их необходимость в физической защите.Если для защиты проводника заземляющего электрода используется стальной кабелепровод или рукав, то на каждом конце рукава должны быть предусмотрены некоторые средства, чтобы сделать его непрерывным электрически с проводником. Этого можно добиться, установив перемычку на каждом конце гильзы и подключив ее к гильзе, оборудованию и заземляющему электроду на каждом конце. Причина, по которой этот метод важен, заключается в том, что при тяжелых условиях повреждения стальная трубная муфта создает дроссельный эффект (индуктивность муфты создает магнитное поле, которое препятствует изменениям тока), а полное сопротивление системы заземления резко возрастает.Из-за этого — по возможности лучше использовать неметаллическое покрытие соответствующего номинала (таблица 80, где возможны повреждения) для обеспечения физической защиты.

Установить заземляющие стержни несложно, но необходимо соблюдать соответствующие процедуры, а полученные стержни следует проверять на работоспособность.

Установка заземляющих стержней глубиной более 10 футов представляет несколько проблем. Могут использоваться секционные стержни (обычно длиной 10-12 футов), соединенные вместе для достижения желаемой глубины.Муфта имеет больший диаметр, чем стержень, и поэтому образует отверстие больше, чем сам стержень. Это создает пустоту муфты, ограничивающую контакт почвы с поверхностью штанги дополнительных секций. Только первая секция будет поддерживать полный контакт стержня с почвой.

Ручное забивание штанг с помощью кувалд, трубных инструментов и других средств не может обеспечить достаточное усилие для проникновения в твердые почвы. Для стержней с глубоким забиванием необходимы механические или механические приводы.

Материал стержня и конструкция муфты должны выдерживать силу, необходимую для прохождения через твердый грунт.

Из-за чрезмерных усилий, необходимых для привода более длинных штанг, муфты винтового типа механически выходят из строя. Резьба обрывается, что приводит к плохому контакту стержня со стержнем. Коническая шлицевая / компрессионная муфта зарекомендовала себя как самая надежная муфта.

Чтобы поддерживать полный контакт стержня с почвой, суспензионная смесь бентонита натрия (встречающейся в природе глины) может быть введена в полость муфты при установке стержней. Это обеспечивает токопроводящий материал между поверхностью стержня и почвой по глубине стержня.Для обычного 60-футового заземляющего стержня требуется от 2 до 5 галлонов бентонита.

Недостатком более длинных и глубоких штанг является то, что соединенные штанги могут изгибаться при столкновении с более плотной почвой. В одном из проектов подрядчику требовалось соединить и установить заземляющий стержень длиной 100 футов для достижения сопротивления 5 Ом в слоистых песчаных почвах. Когда подрядчик соединил и проехал пятую 10-дюймовую штангу, было замечено, что «заостренный конец» заземляющей штанги проходил под автомобилем на ближайшей стоянке.[Глубокое заземление против заземления на мелководье, Computer Power Corporation, Мартин Д. Конрой и Пол Г. Ричард — http://www.cpccorp.com/deep.htm]

Эффективная производительность заземляющих стержней снижается из-за состояния почвы , токи молнии, физические повреждения, коррозия и т. д. и должны регулярно проверяться на сопротивление. То, что в прошлом году земля была хорошей, не значит, что так хорошо сегодня.

Проверили бы его методом испытания на падение потенциала или методом зажима при условии, что установка подходит для измерения сопротивления заземления с использованием метода зажима (см. Следующий раздел для обсуждения инструментов и методов тестирования).

Измерение сопротивления заземления может выполняться только с помощью специально разработанного оборудования. В большинстве приборов используется принцип падения потенциала переменного тока, циркулирующего между вспомогательным электродом и заземляющим электродом при тестировании. Показание выражено в омах и представляет собой сопротивление заземляющего электрода к окружающей земле. Несколько производителей испытательного оборудования недавно представили тестеры сопротивления заземления, которые также будут обсуждаться.

Принцип измерения сопротивления заземления (падение потенциала — трехточечное измерение)

Разность потенциалов между стержнями X и Y измеряется вольтметром, а ток между стержнями X и Z измеряется амперметром (см. Рисунок 13). )

По закону Ома E = IR или R + E / I, тогда мы можем получить сопротивление заземляющего стержня R. Если E = 20 В и I = 1 A, то:

R = E / I = 20/1 = 20

Нет необходимости проводить все измерения при использовании тестера заземления.Тестер заземления будет измерять непосредственно, генерируя собственный ток и отображая сопротивление заземляющего электрода.

Положение вспомогательных электродов при измерениях

Целью точного измерения сопротивления заземления является размещение вспомогательного токового электрода Z на достаточном удалении от тестируемого заземляющего электрода, чтобы вспомогательный потенциальный электрод Y находился за пределами эффективного площадь сопротивления как заземляющего электрода, так и вспомогательного токового электрода.Лучший способ узнать, находится ли вспомогательный потенциальный стержень Y за пределами эффективных областей сопротивления, — это переместить его между X и Z и снять показания в каждом месте. Если вспомогательный потенциальный стержень Y находится в зоне эффективного сопротивления (или оба, если они перекрываются, как на рисунке 14), при его перемещении полученные показания будут заметно отличаться по величине. В этих условиях невозможно определить точное значение сопротивления заземления.

С другой стороны, если вспомогательный потенциальный стержень Y расположен за пределами эффективных областей сопротивления (рисунок X), когда Y перемещается вперед и назад, вариация показаний минимальна.Полученные показания должны быть относительно близки друг к другу и являются наилучшими значениями сопротивления заземления X. Показания должны быть нанесены на график, чтобы гарантировать, что они лежат в области «плато», как показано на рисунке 15. Эту область часто называют. как «62% площади».

Измерение сопротивления заземляющих электродов (метод 62%)

Метод 62% был принят после графического рассмотрения и после реальных испытаний. Это наиболее точный метод, но он ограничен тем фактом, что тестируемая земля представляет собой единое целое.

Этот метод применяется только тогда, когда все три электрода находятся на прямой линии, а земля представляет собой один электрод, трубу или пластину, как показано на рисунке 16.

Рассмотрим рисунок 17, на котором показаны эффективные площади сопротивления (концентрические оболочки) заземляющего электрода X и вспомогательного токового электрода Z. Области сопротивления перекрываются. Если бы показания были сняты путем перемещения вспомогательного потенциального электрода Y либо к X, либо к Z, тогда разность показаний была бы большой, и нельзя было бы получить показание в разумном диапазоне допуска.Чувствительные области перекрываются и постоянно действуют, увеличивая сопротивление по мере удаления Y от X.

Теперь рассмотрим рисунок 18, на котором электроды X и Z достаточно разнесены, чтобы области эффективного сопротивления не перекрывались. Если мы построим график измеренного сопротивления, мы обнаружим, что уровень измерений сбился, когда Y расположен на 62% расстояния от X до Z, и что показания по обе стороны от начального значения Y (62%), скорее всего, будут в пределах установленный диапазон допуска.Этот диапазон допуска определяется пользователем и выражается как
процентов от начального показания +/- 2%, +/- 5%, +/- 10% и т. Д.

Расстояние между вспомогательными электродами

Нет определенного расстояния между Могут быть заданы X и Z, поскольку это расстояние зависит от диаметра испытуемого стержня, его длины, однородности испытываемого грунта и, в частности, от эффективных площадей сопротивления. Однако приблизительное расстояние можно определить из следующей таблицы, которая дается для однородной почвы и электрода диаметром 1 дюйм (для диаметра ½ дюйма уменьшите расстояние на 10%).

Измерение сопротивления заземления с помощью клещей

В отличие от метода падения потенциала (трехточечный), который требует, чтобы заземляющий стержень или тестируемая система были отключены от энергосистемы, этот метод измерения требует соединения между тестируемым стержнем для подключение электросети к земле. В результате метод предлагает возможность измерения сопротивления без отключения заземления. Он также предлагает преимущество включения заземления и общего сопротивления заземляющего соединения.

Принцип работы

Обычно заземленную систему общей распределительной линии можно смоделировать как простую базовую схему, как показано на рисунке 29, или как эквивалентную схему, показанную на рисунке 30. Если напряжение E приложено к любому измеренному заземляющему элементу Rx через специальный трансформатора, через цепь протекает ток I, который можно представить следующим уравнением:

Суть этого состоит в том, что заземляющий электрод для типичной заземленной электрической системы i параллелен заземляющим стержням и стыковым заземлениям на каждом трансформаторе. и столб, который находится на стороне линии обслуживания, для которого вы тестируете землю.Все параллельные заземления выше по течению становятся очень и очень малым параллельным сопротивлением по сравнению с сопротивлением стержня, на котором вы отдыхаете (R x ).

Если R x и R 1 , и 2 …. все примерно одинаковой величины, а n — большое число (например, 200), тогда x будет намного меньше, чем

. Например, если x R 1 R 2 , R 3 и т. Д. Все равны 10 Ом и n = 200, тогда:

В этом примере мы видим, что до тех пор, пока количество заземляющих стержней в системе электроснабжения велико (и проверяемый стержень подключен к ним), то эквивалентное сопротивление боковых стержней линии (.05 Ом) незначительно по отношению к измеряемому сопротивлению заземления (10 Ом).

E / I = Rx установлен. Если I определяется при постоянном значении E, можно получить измеренное сопротивление заземляющего элемента. Снова обратитесь к рисункам 29 и 30. Ток подается на специальный трансформатор через усилитель мощности через генератор постоянного напряжения 1,7 кГц. Этот ток обнаруживается детекторным трансформатором тока. На частоте 1,7 кГц сигнал усиливается фильтрующим усилителем. Это происходит перед аналого-цифровым преобразованием и после синхронного выпрямления.Затем он отображается на жидкокристаллическом дисплее.

Фильтр-усилитель используется для отсечки как тока земли на промышленной частоте, так и высокочастотного шума. Напряжение обнаруживается катушками, намотанными на трансформатор тока впрыска, который затем усиливается, выпрямляется и сравнивается компаратором уровня. Если зажим на CT не закрыт должным образом, и на ЖК-дисплее появляется индикация OPEN или OPEN.

Хотя точность клещей для тестеров сопротивления заземления хороша для многих сценариев, но имеет свои ограничения.Например, если условия заземления на стороне линии неизвестны (на этом основана теория работы клещевого тестера) или если в системе электроснабжения не так много заземлений на стороне линии (заземления полюсов), тогда трехточечный падение потенциального испытания должно быть выполнено.

Прежде чем использовать и полагаться на данные любого измерительного оборудования, убедитесь, что оно откалибровано и сертифицировано. Если вы этого не сделаете, данные, которые он предоставляет, могут оказаться бесполезными.

Это обсуждение методов тестирования сопротивления заземления было взято из не защищенного авторским правом материала из рабочей книги AEMC Instruments «Общие сведения об испытании сопротивления заземления», издание 6.0.

Электрическое заземление

Заземление — наиболее важный аспект проектирования электрических или электронных систем. Неправильное заземление приводит к повреждению имущества и большому риску для жителей дома или здания.

Наряду с безопасностью персонала и оборудования, существует множество других причин электрического заземления, включая использование в качестве ориентира, установки обратного проводника и т. Д.

При работе с электрическими установками электрическое заземление является одним из лучших средств безопасности. устройства, защищающие персонал и оборудование от сильных опасных токов.

Заземление

Что такое заземление?

Заземление — это проводящее соединение между землей или другим проводящим материалом вместо земли и электрической цепью или частью оборудования.

Основная причина облегчения заземления состоит в том, чтобы обеспечить немедленное отведение сильного тока короткого замыкания в случае неисправности цепи, при этом обеспечивается защита от поражения электрическим током людей и животных.

При заземлении электрическая цепь или устройство соединяются с землей металлическим проводом с незначительным сопротивлением.Этот проводник должен иметь хорошую проводимость, высокую прочность на разрыв и разрыв, а также быть устойчивым к коррозии или эрозии.

Заземление подразделяется на два основных типа, а именно: заземление системы или нейтрали и заземление оборудования.

Заземление системы — это соединение одного из токоведущих проводов системы электроснабжения или внутренней электропроводки с землей или землей.

В основном нейтральный провод соединен с землей в системе заземления, и сегодня почти все энергосистемы работают с заземленной нейтралью.

В этом случае клемма нейтрали различного оборудования, такого как генератор, двигатель, оборудование передачи и распределения, трансформатор и т. Д., Подключена к земле либо напрямую, либо через сопротивление, либо через реактивное сопротивление.

Целью заземления системы является обеспечение защиты от несимметричных напряжений относительно земли, искрения заземления, различных электрических повреждений и защиты от молнии.

Заземление оборудования — это соединение одной или нескольких нетоковедущих металлических частей системы электропроводки или оборудования с землей.

Нетоковедущие металлические части включают корпус двигателя, бак трансформатора, металлические кожухи распределительного устройства, кабелепроводы и т. Д. Целью этого заземления является защита персонала, контактирующего с оборудованием во время его неисправностей.

Зачем нужно заземление?

Безопасность персонала и оборудования

Заземление обеспечивает безопасность персонала и оборудования, обеспечивая работу защитного устройства управления и изоляцию неисправной цепи в следующих случаях.

Нарушение изоляции

Если какая-либо изоляция проводника повреждена и если он касается земли, электрический ток будет проходить через путь заземления, как показано ниже.

Протекания тока короткого замыкания достаточно для срабатывания защитного устройства, если полное сопротивление пути заземления низкое. Таким образом, защитное устройство изолирует цепь, тем самым предотвращая прохождение тока через нетоковедущие части.

Случайный контакт между проводами высокого и низкого напряжения

Когда высокотемпературные провода соприкасаются с низковольтными проводами (как показано на рисунке), через вторичную обмотку трансформатора рядом с заземлением трансформатор и обратно в систему высокого напряжения.

Этот ток короткого замыкания задействует защитные устройства на стороне высокого напряжения и, следовательно, отключает цепь. Следовательно, заземление обеспечивает средства для срабатывания защитных устройств в условиях неисправности.

Защита от перенапряжения

Во время разряда молнии непреднамеренный контакт с линиями высокого напряжения или скачки напряжения в цепи могут вызвать серьезное высокое напряжение в системе распределения электроэнергии. Таким образом, заземление обеспечивает путь с низким сопротивлением, чтобы безопасно отправлять дополнительный заряд на землю.

Стабилизация напряжения

Земля служит опорным постоянным потенциалом в сети энергосистемы, относительно которого измеряются другие потенциалы. В электроэнергетической системе есть много источников для производства энергии.

Таким образом, земля является общей точкой отсчета для этих источников. Без заземления было бы трудно рассчитать взаимосвязь между различными источниками напряжения, и это может привести к серьезным поражениям электрическим током.

Для экономии затрат на установку

В некоторых цепях передачи энергии и телеграфных цепях само заземление используется в качестве одного из проводников системы передачи, чтобы сэкономить затраты на установку отдельного проводника.

Типы заземления

Как мы обсуждали выше, заземление в основном подразделяется на два типа: системное заземление и заземление оборудования. Кратко остановимся на этих типах.

Система или заземление нейтрали

Основное внимание в системе заземления нейтрали необходимо для обеспечения безопасности людей и поддержания безопасной работы электроприборов при гарантированной работе системы защитных реле.

Это обеспечивает повышенную надежность обслуживания, большую безопасность, снижение переходных напряжений и улучшенную защиту от неисправностей.Обычно используемые методы заземления системы включают

Жесткое заземление

В этом случае нейтральный проводник напрямую соединен с землей без какого-либо сопротивления между нейтралью и землей, как показано на рисунке. Это простой и недорогой метод, не требующий дополнительного оборудования.

Минимизирует перенапряжение в неисправной фазе во время замыкания фазы на землю, что приводит к снижению нагрузки на изоляцию неисправного проводника. Этот метод чаще всего используется в промышленных и коммерческих энергосистемах.

Недостаток твердого заземления заключается в том, что при коротком замыкании на землю возникает серьезная вспышка или опасность искрения. Эти дуги могут вызвать возгорание защитных устройств.

Эта система становится нестабильной, поскольку ей приходится выдерживать большой ток во время замыкания фазы на землю. Таким образом, это заземление обычно используется там, где полное сопротивление цепи достаточно велико, чтобы поддерживать ток замыкания на землю в безопасных пределах.

Сопротивление заземления

В этом случае между точкой звезды (нейтральной точкой) и землей используется резистор.Сопротивление ограничивает величину тока замыкания на землю в безопасных пределах. Это значение сопротивления не должно быть ни очень высоким, ни очень низким. Если сопротивление очень велико, система станет незаземленной нейтралью.

С другой стороны, если это значение очень низкое, система станет надежной системой заземления. Следовательно, значение сопротивления должно быть таким, чтобы ток короткого замыкания ограничивался до более безопасного значения, при этом позволяя срабатывание системы защиты от замыканий на землю.

Недостатком этой системы является то, что из-за рассеивания энергии короткого замыкания возникают огромные потери энергии в сопротивлении заземления нейтрали, а также она дороже, чем система твердого заземления.

Эта система используется на заводах и фабриках, где непрерывная работа процесса является основным требованием при возникновении неисправностей.

Реактивное заземление

В этом случае вместо резистора используется реактор. Подобно сопротивлению, реактивное сопротивление необходимо выбирать в соответствии с требованиями защиты или для контроля индуктивных помех.Реактивная часть тока короткого замыкания компенсируется этим реактором.

Используются, когда величина уменьшения тока небольшая. Это связано с тем, что реактор с низким сопротивлением для обработки больших количеств тока может быть построен с меньшими затратами по сравнению с резистором для того же ограничения тока.

Недостатком этой системы является то, что в системе возникают высокие переходные напряжения в условиях неисправности.

Кроме того, для тех же условий повреждения ток повреждения, необходимый для срабатывания защитного устройства при резонансном заземлении, выше, чем при заземлении через сопротивление.Из-за этих недостатков данный способ заземления в настоящее время не применяется.

Заземление катушки подвески дуги или резонансное заземление

В этом случае регулируемый реактор помещается между точкой звезды или нейтральной точкой и землей, чтобы уравновесить ток короткого замыкания с емкостным током. Мы знаем, что между каждой линией и землей существует емкость.

Таким образом, емкостные токи, протекающие через эти конденсаторы, вызывают образование дуги заземления (повторяющееся образование дуги в месте короткого замыкания из-за емкостей).

Заземление катушки подвески дуги

Если индуктор соответствующего номинала подключен параллельно емкости системы, ток короткого замыкания, если он протекает через индуктор, будет противофазен току Ic, протекающему через конденсатор.

Если индуктивность настроена так, что I L = I c , результирующий ток короткого замыкания будет равен нулю. Это называется резонансным заземлением.

Таким образом, этот метод полностью предотвращает повреждение системы искровым заземлением.На приведенном выше рисунке показано резонансное заземление, в котором катушка подвески дуги или катушка Петерсона подключены между заземлением и нейтралью. Однако катушку необходимо каждый раз регулировать, так как емкость время от времени изменяется.

Заземление оборудования

Как обсуждалось ранее, подключение металлических корпусов или нетоковедущих металлических частей электрического оборудования к земле называется заземлением оборудования.

Учтите, что электрическое оборудование с сопротивлением R подключено к питающей сети, и предположите, что оно не заземлено или не заземлено, как показано на рисунке ниже.Пусть Rb будет сопротивлением тела человека, который прикасается к устройству при сохранении контакта с землей, как показано на рисунке

Ток от сети имеет два пути; один путь проходит через устройство, а другой — через сопротивление изоляции устройства, затем через сопротивление Rb корпуса и, наконец, через сопротивление заземления Re к нейтрали источника питания.

Если сопротивление изоляции бесконечно, через тело не протекает ток утечки, и, следовательно, человек не испытывает ударов.

Если изоляция устройства повреждена или повреждена, сопротивление изоляции становится равным нулю, и, следовательно, ток утечки из сети проходит через тело человека, и его величина зависит от сопротивления тела. Этого тока вполне достаточно, чтобы потрясти человека.

Если корпус оборудования соединен с нулевым проводом заземления, ток утечки течет через корпус и обратно к нейтральному проводу в случае нарушения изоляции.

Следовательно, в оборудовании поддерживается потенциал земли, и человек или оператор не испытают никакого удара током, поскольку ток утечки отводится на нейтральный путь заземления.

Этот метод небезопасен, потому что, если по какой-либо причине нейтраль разомкнется при неисправности, человек, соприкасающийся с корпусом, получит сильный удар электрическим током, как показано ниже.

Предположим, оборудование заземлено отдельным проводом заземления, так что путь обеспечивает нулевое сопротивление току.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *