Что в электрике является заземлителем, его устройство и принцип работы

Основные требования к электробезопасности

Главное требование, предъявляемое к бытовым электроприборам – безопасность. В большей мере это касается устройств, которые контактируют с водой, ведь даже незначительный  дефект в электропроводке оборудования может стать смертельным для пользователя. Чтобы обезопасить себя и окружающих необходимо содержать электросеть и оборудование в исправном состоянии и регулярно проводить их ревизию. Чтобы исключить вероятность возникновения пожара из-за неисправной проводки и поражение электротоком, необходимо устанавливать защитные устройства (УЗО).

В соответствии с основными правилами электробезопасности:

• Не рекомендовано устройство временных электропроводок.
• Соединение проводов должно выполняться методом сварки, опрессовки, зажимов или клеммных колодок. Регулярно проверяйте качество и прочность соединений проводки.
• В помещениях с высокой влажностью используйте только сертифицированные влагозащищенные устройства.
• Электророзетки и выключатели должны располагаться от труб отопления, газо- и водоснабжения на расстоянии не менее 500 мм.
• Регулярно проверяйте исправность проводки и электрооборудования.
• Нельзя использовать любые виды электрооборудования без защитного кожуха.
• Не используйте самодельные электроприборы и не проводите самостоятельно ремонт неисправного электрооборудования.

Мнение эксперта
Евгений Попов
Электрик, мастер по ремонту

Это только краткий перечень требований по электробезопасности. Более подробно с правилами безопасности можно ознакомиться в различных нормативных актах и специальной литературе по электричеству, которые сейчас легко найти в интернете.

Почему человека бьёт током

Рассмотрим две типовых ситуации, когда вас бьет током:

1. Стиральная машинка исправно выполняла свою работы, а когда вы захотели её отключить – почувствовали, что её корпус «щипает» вас. Или еще хуже, когда вы к ней прикоснулись – вас серьезно «дёрнуло».
2. Вы решили принять ванну, включили воду, взявшись за кран, вы почувствовали такое же действие электричества – пощипывание или сильный удар.

И та и другая ситуация решается подключением заземления к корпусам приборов и всех металлических частей в ванной комнате и установкой УЗО или дифференциального автомата на вводе электроэнергии в дом или на группу потребителей.

Естественный заземлитель: что можно использовать

Стандартизация применения заземлителей в электроустановках зданий регламентируется в материалах следующей документации:

1. ПУЭ 7-е издание Раздел 1 Глава 1.7.
2. ГОСТ Р 50571.21-2000 (МЭК 60364-5-548-96).
3. ГОСТ Р 50571.22-2000 (МЭК 60364-7-707-84).
4. ГОСТ Р 50571.10-96 (МЭК 364-5-54-80).

Основным требованием при применении естественного контура выступает его устойчивость к протекающим токам короткого замыкания. Исключается вариант возможного нарушения работоспособности связанных с заземлителями устройств.

Естественный заземлитель предусматривает строение конструкции, которая постоянно находится в земле. В качестве заземляющих устройств такого типа принято использовать:

1. Металлическую или железобетонную конструкцию (арматура, железобетонные фундаменты объектов, находящиеся в соприкосновении с почвой).
2. Водопроводные трубы из металла, проходящие под землей.
3. Трубы буровых скважин обсадного типа.
4. Металлические сваи (шпунты) ГТС.
5. Оболочки металлического состава различных бронированных кабелей, проходящих под землей.
6. Железнодорожные колеи неэлектрифицированных дорог при обязательном наличии перемычек.

Соответствие требованиям ПУЭ по соотношению сечения проводимости — общеобязательный аспект выбора любого устройства в качестве заземляющего элемента. Естественный заземлитель соединяется с заземляющей магистралью электроустановки в двух и более местах.

В качестве естественного контура запрещено применять:

1. Конструкции металлических труб горючих или токсичных веществ, газов.
2. Трубы с коррозионно-стойкой изоляцией.
3. Проводники отопительных систем или канализационных магистралей.

Естественный заземлитель используется повсеместно — лишь при необходимости уменьшения потенциалов протекающих по нему токов, которые уходят в землю, предусматривается использование искусственных заземляющих устройств.

Как подбираются размеры искусственных электродов

Все параметры основной конфигурации проводников в обязательном порядке должны соответствовать нормативным требованиям профильной документации, в частности ГОСТ Р 50571.5.54-2013.

Основные аспекты:

1. Стальной прут в диаметре должен быть свыше 10 мм.
2. Оцинкованный арматурный стержень должен иметь диаметр 6 мм и больше.
3. Соблюдение толщины стенок в уголках — свыше 4 мм.
4. Молниезащитные заземлители применяются с сечением свыше 155 мм².
5. Стенки отбракованных труб монтируются с толщиной свыше 3,5 мм.
6. Толщина стенок отбракованных труб не менее 3,5 мм.

Правильно подобранные материалы и размеры электродов, применение оптимальной вариации производства такого электромонтажа — основные рабочие моменты заземления, которые влияют на качество работы заземлителя.

Искусственный электрод обладает важным эксплуатационным преимуществом, обусловленным принципом монтажа. Такой вид чаще монтируется глубоко в грунт. За счет грунтовых вод уменьшается показатель удельного сопротивления материала. Итог — реализация оптимальной характеристики и стабильности конечного сопротивления заземлителя.

Системы с глухозаземленной нейтралью системы заземления TN

К таким системам относятся:

• TN-C;
• TN-S;
• TNC-S;
• TT.

Согласно п. 1.7.3 ПУЭ TN-система — система, в которой нейтраль источника питания глухо заземлена, а открытые проводящие части электроустановки присоединены к глухозаземленной нейтрали источника посредством нулевых защитных проводников.

TN включает в себя такие элементы, как:

• заземлитель средней точки, которая относится к источнику питания;
• внешние проводящие части устройства;
• проводник нейтрального типа;
• совмещенные проводники.

Нейтраль источника глухо заземлена, а внешние проводники установки подключены к глухозаземленной средней точке источника при помощи проводников защитного типа.

Сделать заземляющий контур можно только в электроустановках, мощность которых не превышает 1 кВ.

Система TN-C

В данной системе нулевой защитный и нулевой рабочий проводники, объединены в один PEN проводник. Они совмещены на всем протяжении системы. Полное название — Terre-Neutre-Combine.

Среди преимуществ TN-C можно выделить только легкий монтаж системы, который не требует больших усилий и денежных затрат. Для монтажа не требуется улучшение уже установленных кабельных и воздушных линий электропередачи, у которых есть всего 4 проводящих устройства.

Недостатки:

• возрастает вероятность получения удара током;
• возможно появление линейного напряжения на корпусе электрической установки во время обрыва электрической цепи;
• высокая вероятность потери заземляющей цепи в случае повреждения проводящего устройства;
• такая система защищает только от короткого замыкания.

Система TN-S

Особенность системы заключается в том, что электричество поставляется к потребителям через 5 проводников в трехфазной сети и через 3 проводника в однофазной сети.

Всего от сети отходит 5 проводящих источников, 3 из которых выполняют функцию силовой фазы, а оставшиеся 2 — это нейтральные проводники, подсоединенные к нулевой точке.

Конструкция:

1. PN — нейтральный механизм, который задействован в схеме электрического оборудования.
2. PE — глухозаземленный проводник, выполняющий защитную функцию.

Преимущества:

• легкость монтажа;
• низкая стоимость покупки и содержания системы;
• высокая степень электробезопасности;
• не требуется создание контура;
• возможность использовать систему в качестве устройства от защиты утечки тока.

Система TN-C-S

TN-C-S система предполагает разделение проводника PEN на PE и N в каком-то участке цепи. Обычно разделение происходит в щитке в доме, а до этого они совмещены.

Достоинства:

• простое устройство защитного механизма от попадания молний;
• наличие защиты от короткого замыкания.

Минусы использования:

• слабый уровень защиты от сгорания нулевого проводника;
• возможность появления фазного напряжения;
• высокая стоимость монтажа и содержания;
• напряжение не может быть отключено автоматикой;
• отсутствует защита от тока на открытом воздухе.

Система TT

TT разработана для обеспечения высокого уровня безопасности. Устанавливается на электростанциях с низким уровнем технического состояния, например, где используются оголенные провода, электроустановки, которые расположены на открытом воздухе или закреплены на опорах.

TT монтируется по схеме четырех проводников:

• 3 фазы, подающие напряжение, смещаются под углом 120° между собой;
• 1 общий ноль выполняет совмещенные функции рабочего и защитного проводника.

Преимущества TT:

• высокий уровень устойчивости к деформации провода, ведущего к потребителю;
• защита от КЗ;
• возможность использования на электроустановках высокого напряжения.

Недостатки:

• сложное устройство защиты от молний;
• невозможность отследить фазы короткого замыкания электрической цепи.

От чего защищает заземлитель

Главное предназначение заземлителя – создание защиты от воздействия электрического тока. Заземление обеспечивает защиту самого человека и электроприборов. Существуют два основных вида заземления:

• защитное;
• рабочее.

Рабочее – в первую очередь служит для обеспечения безопасной работы большинства электрических приборов. Базовой задачей такой разновидности защиты есть реализация бесперебойного использования электрических установок, а также приборов такого рода в их нормальном режиме.

Защитное – основная цель заключается в обеспечении безопасности. Такой вид заземления позволяет снизить вероятность выхода из строя аппаратуры при воздействии на нее скачков тока либо напряжения. Данный тип обеспечивает защиту человека при работе с электрическим оборудованием. Причинами возникновения опасных значений тока и напряжения – удар молнии или неправильная эксплуатация рабочего оборудования.

Сравнение естественного и искусственного контура

Естественный контур – совокупность металлических конструкций, контактирующих с грунтом для обеспечения заземления. Заземлителем естественного типа может быть:

• разновидность металлических сооружений, таких как арматуры строительных конструкций, которые контактируют с грунтом;
• трубопроводы различного назначения, располагающиеся в земле.

Такой тип защитного контура должен быть связан с объектом минимум двумя заземляющими элементами. Они как правило монтируются в разных участках конструкции.

Нельзя применять в качестве естественного заземления:

• трубные металлоконструкции токсичных веществ и горючих газов;
• трубы, используемые коррозионностойкую изоляцию;
• канализационные магистрали и отопительные системы.

Искусственный контур – металлические специальные приспособления, устанавливаемые в грунт для реализации заземления. Примеры таких контуров:

• стальные балки, трубы, уголки, стержни, установленные в грунт;
• заложенные в землю металлические полотна, различной формы.

Пример заземлителя в виде стального стержня с подключенным проводником заземления. Все элементы искусственного контура должны иметь коррозионностойкие электрические проводники (из цинка, меди).

Правила устройства электроустановок (ПУЭ)

В связи с ПУЭ происходит сооружение новых и реконструкция старых электрических установок. Речь идет о сооружениях питаемые переменным и постоянным токами с напряжением менее 750 кВ. Содержание вышеуказанных правил, необходимо применять для существующих конструкций, если это помогает повысить производительность и надежность электрического сооружения, а также способствует усовершенствованию требований техники безопасности. ПУЭ дает указание к проведению и ремонту всех электрических установок, а также производить их наладку и ремонт.

Использование фундамента как естественного заземлителя

Подготовка к сварке стальных арматурных прутков перед заливкой бетонного фундамента. Заземлители в виде железобетонных фундаментов применяют только в случаях, когда бетонные конструкции спроектированы в виде отдельных блоков, соединенных между собой. Для более надежного построения, арматурные сваи сваривают между собой электродуговой сваркой.

Сегодня применение заземлителей на железобетонных фундаментах зданий возможно лишь при влажности грунта не более 3%. На сооружения могут воздействовать исключительно слабоагрессивные либо неагрессивные вещества.

Использование труб как естественного заземлителя

Если же за основу взят заземлитель трубопровода, то подключение производится на задвижке трубы через перемычку. Использование канализационной трубы как заземлителя крайне нежелательно, поскольку будет иметь место слабый электрический контакт в стыках металлоконструкции.

В качестве заземлительного проводника нельзя использовать водопроводные трубы или трубы, предназначенные для отопления. В трубопроводе могут присутствовать нетокопроводящие вставки, следовательно, это нарушит электроконтакт. Также на плохую электропроводность влияет коррозия.

Виды заземления

В классификации видов заземления присутствует два основных его вида:

• Рабочее.
• Защитное.

Есть и несколько подгрупп: радиозаземление, измерительное, инструментальное, контрольное.

Рабочее

Существует определенная категория электрических установок, которые не будут работать, если их не заземлить. То есть, основанная цель сооружения заземляющей системы – это необеспечение безопасности эксплуатации, это обеспечение самой эксплуатации. Поэтому в этой статье данный вид нас интересовать не будет.

Защитное

А вот этот вид специально устраивается с целью обеспечить безопасность работы электроустановок. Он делится на три категории в зависимости от назначения:

• Молниезащита.
• Защита от импульсного перенапряжения (перегруз линии потребления тока или короткое замыкание).
• Защита электросети от электромагнитных помех (чаще всего данный вид помех образуется от рядом работающего электрического оборудования).

Нас интересует именно импульсное перенапряжение. Назначение заземления данного типа – это безопасность обслуживающего персонала и самой установки в процессе аварии или поломки оборудования. Обычно такая поломка внутри электрического агрегата – это замыкание провода электрической схемы на корпус прибора. Замыкание может происходить непосредственно или через любой другой проводник, например, через воду. Человек, коснувшийся корпус установки, подвергается воздействия электрического тока, потому что становится его проводником в землю. По сути, он сам становится частью заземляющего контура.Схема заземления в частном доме

Мнение эксперта
Евгений Попов
Электрик, мастер по ремонту

Вот почему, чтобы устранить такие ситуации и устанавливается заземление корпуса на контур, расположенный в земле. При этом срабатывание заземляющей схемы – это толчок для системы автоматов, которые тут же отключают подачу электроэнергии к оборудованию. Все это располагается в специальных силовых и распределительных щитах.

Сопротивление заземлению

Есть такой термин, как сопротивление растеканию тока. Для простых обывателей легче будет воспринимать, как сопротивление заземлению. Вся суть этого термина заключается в том, что схема заземления должна работать корректно с определенными параметрами. Так вот сопротивление является основным из них.

Оптимальный вариант этого значения – ноль. То есть, лучше всего использовать материалы для сборки контура, у которых электропроводность самая высокая. Конечно, добиться идеала никак не получится, поэтому старайтесь выбирать именно те, у которых сопротивление самое низкое. К ним относятся все металлы.

Есть специальные коэффициенты, с помощью которых производится определение показателя сопротивления заземляющего контура, эксплуатируемого в разных условиях. К примеру:

в частном домостроение, где используются сети на 220 и 380 вольт (6 и 10 кВ), необходимо устанавливать контур с сопротивлением 30 Ом.

• монтируемая газопроводная система, входящая в дом, должна заземляться схемой в 10 Ом.
• молниезащита должна иметь сопротивление не более 10 Ом.
• Телекоммуникационное оборудование заземляется контуром 2 или 4 Ом.
• Подстанции от 10 кВ до 110 кВ – 0,5 Ом.

То есть, получается так, что чем больше мощность силы тока внутри оборудования или приборов, тем ниже должно быть сопротивление

Для чего делают несколько заземлителей?

Электроустановку нельзя оснащать только одним заземлителем, поскольку почва является нелинейным проводником. Сопротивление земли находится в сильной зависимости от напряжения и площади контакта с воткнутыми штырями рабочего заземления.

У одного заземлителя площадь контакта с почвой будет недостаточной, чтобы обеспечить бесперебойную работу электроустановки. Если установить 2 заземлителя на расстоянии в несколько метров друг от друга, то появляется достаточная площадь контакта с землёй. Однако следует помнить, что разносить слишком далеко металлические части заземления нельзя, поскольку связь между ними прервётся.

В итоге останется только два отдельно установленных в почву заземлителя, никак не связанных друг с другом. Оптимальное расстояние между двумя контурами заземления составляет 1-2 метра.

Железобетонный фундамент как заземляющее устройство

Естественный заземлитель в виде железобетонного фундамента используется только в том случае, когда грунт, на котором располагается строение, обладает влажностью от трех процентов. Если влажность будет меньше, то фундамент строения будет оказывать очень большое электрическое сопротивление, и как результат не будет выступать в качестве заземляющего устройства.

Также железобетонный фундамент применяется как заземлитель еще и тогда, когда на него будет воздействовать любая агрессивная среда. К примеру, это могут быть подземные воды, у которых нет значительных показателей жесткости. Помимо этого, такой фундамент может выступать, как естественный контур заземления, если отсутствует гидроизоляция или его поверхность будет максимально защищена, согласно СНиП и ПУЭ, битумным покрытием.

Железобетонный фундамент не соединяется с заземляющим проводником в том случае, если он расположен в агрессивной среде, потому что это может привести к дополнительной коррозии. Также не рекомендуются использовать основу из бетона, если в самой структуре конструкции существует напрягаемая арматура.

Если просмотреть все озвученные выше ограничения и позволения, то можно сделать вывод, что подобное строение совершенно не подходит для искусственного заземления. Благодаря этому при монтаже рабочего заземления есть возможность сэкономить на проводниках. Ведь они будут располагаться в постройке, соответственно, их длина будет меньше, а это позволит сэкономить материалы и денежные средства.

Также хотелось бы отметить, что естественный заземлитель может быть не только из тех, что перечислены ранее. Существует еще большое количество возможных вариантов. К примеру, согласно ПУЭ п. 1.7.109 (см. Главу 1.7) в его роли может выступать стальной трубопровод (только тот, в котором течет любая негорючая жидкость, о чем говорится в п. 1.7.110 того же ПУЭ) или обсадная труба, что используется в артезианских колодцах.

Перечень всех материалов, которые можно использовать для естественного заземления, а какие нет, предоставлен ниже:

Если все же для безопасности и защиты жилого или офисного здания было принято решение использовать исключительно естественное заземление, то необходимо учитывать следующий важный фактор: электрический ток, который проходит по электрическому заземленному проводу, не должен превышать допустимое значение каждого в отдельности элемента, что входят в состав заземляющего устройства.

Вот и все, что мы хотели рассказать о том, что такое естественный заземлитель и какие материалы можно использовать для организации такого варианта защитного контура. Надеемся, предоставленная информация была для вас полезной!

Рекомендуем также прочитать:

• Как сделать заземление в доме
• Характеристики провода ПВ-3
• Что такое главная заземляющая шина

16.09.2019

Сравнение естественного и искусственного контура

Естественный контур – совокупность металлических конструкций, контактирующих с грунтом для обеспечения заземления. Заземлителем естественного типа может быть:

• разновидность металлических сооружений, таких как арматуры строительных конструкций, которые контактируют с грунтом;
• трубопроводы различного назначения, располагающиеся в земле.

Такой тип защитного контура должен быть связан с объектом минимум двумя заземляющими элементами. Они как правило монтируются в разных участках конструкции.

Нельзя применять в качестве естественного заземления:

• трубные металлоконструкции токсичных веществ и горючих газов;
• трубы, используемые коррозионностойкую изоляцию;
• канализационные магистрали и отопительные системы.

Искусственный контур – металлические специальные приспособления, устанавливаемые в грунт для реализации заземления. Примеры таких контуров:

• стальные балки, трубы, уголки, стержни, установленные в грунт;
• заложенные в землю металлические полотна, различной формы.

Пример заземлителя в виде стального стержня с подключенным проводником заземления. Все элементы искусственного контура должны иметь коррозионностойкие электрические проводники (из цинка, меди).

Чем отличаются вертикальные и горизонтальные заземлители

Особого функционального отличия между такими типами электродов нет. При монтаже как вертикального, так и горизонтального элемента важна лишь глубина их погружения.

Стандартные показатели заглубления:

1. Верхний конец вертикально заложенных в грунт заземляющих элементов углубляется на 0,7 м. Укладываются на дно горизонтально, по периметру фундамента. Диаметр электродов — от десяти до шестнадцати мм, длина — до 5 м.
2. Горизонтальные элементы заземляющего устройства углубляются в грунт на 0,5 м. Если земля пахотная, прокладывать их необходимо на глубину не меньше 1 м. Рациональность их применения обоснована лишь при хорошей электропроводимости верхнего слоя почвы. Такой вид электродов может использоваться для связи вертикальных заземляющих элементов. Соединения выполняются при помощи сварки. Применяется или сталь округлой формы диаметром более 10 мм, или стальные полосы толщиной больше 4 мм.

Конкретного профильного требования, которое регламентирует монтаж заземлителей четко в вертикальном положении, не существует (исключительно рекомендательный характер). Возможен вариант установки вертикального электрода под незначительным углом. Такой фактор не отражается на функциональности заземлителя.

Как нельзя осуществлять заземление?

Согласно параграфу 1.7.110 ПУЭ, запрещается использовать в качестве рабочего заземления любые виды трубопроводов. Кроме того, запрещено выводить заземляющий кабель наружу и подключать его к неподготовленной контактной площадке на шине.

Такой запрет объясняется тем, что каждый металл имеет свой индивидуальный потенциал. При воздействии внешних факторов образуется гальванический пар, который способствует процессу электроэрозии. Коррозия может распространиться под оболочку заземляющего провода, что повышает опасность его оплавления во время подачи больших токов на контур заземления в случае аварии.

Специальная защитная смазка предотвращает разрушение металла, но действует она лишь в сухом помещении.

Также ПУЭ запрещает осуществлять поочерёдное заземление электроустановок друг с другом, подключать более одного кабеля на одну площадку заземляющей шины. Если пренебречь такими правилами, то в случае аварии на одной установке она будет создавать помехи в работе соседа.

Такое явление называется электрической несопоставимостью. При неправильном подключении рабочего заземления работы по устранению недостатков опасны для жизни.

Другие варианты

Существуют и другие естественные заземлители. Чтобы изучить подходящие варианты, можно воспользоваться ПУЭ п.109 раздела 1.7. В нем говорится том, что вполне подходит применение трубопровода из стали. Основным условием является наличие внутри трубопровода негорючей жидкости. Кроме этого, в качестве естественного заземлителя можно взять металлическую обсадную трубу скважин.

Для ЛЭП, как заземлители, применяют железобетонные подножники, поскольку при контакте с грунтом они хорошо увлажняются.

Таким образом, используя естественные заземлители, можно значительно сэкономить время и деньги, однако требуется учитывать большое количество факторов, способных повлиять на безопасность. Конструкции не только должны образовывать единую цепь, но и оказывать сопротивление, не превышающее допустимого параметра.

Требования к заземлению и занулению

Заземление – более серьезная защитная мера, чем зануление. Для этой схемы требуется создание отдельной шины с малым сопротивлением, которая соединяется с заземлителем вкопанным в грунт и обустроенным в соответствии со стандартами. Все требования к заземлению, его элементам и обустройству прописаны в ПЭУ и ГОСТе 12.2.007.0.

Установки с изолированной нейтралью

В промышленном секторе заземлению подлежат:

• электроприводы;
• корпуса электрооборудования;
• металлоконструкции зданий;
• экранированная оплетка низковольтных электрокабелей;
• корпуса распределительных электрощитов и аналогичных конструкций.

К занулению предъявляются более лояльные требования, а именно:

• нулевые и фазные проводники выбираются таким образом, чтобы при пробое на корпус оборудования возникал ток достаточный для срабатывания УЗО или другого защитного механизма;
• проводник зануления от прибора до заземленной нейтрали должен быть непрерывным, то есть не содержать в цепи каких-либо коммутационных устройств.