Эксплуатация любого электрического оборудования требует обязательного применения заземления. Оно подразделяется на два основных типа: рабочее, обеспечивающее нормальное функционирование устройств, и защитное, главная цель которого — обеспечение безопасности человека. Принципы их действия существенно различаются.
Цели и задачи системы заземления
Земля обладает уникальным свойством — её электрический потенциал условно равен нулю, что позволяет ей поглощать и нейтрализовывать электрический ток. Заземление представляет собой целенаправленное соединение электроустановки с грунтом через специальное устройство. Это устройство состоит из заземлителя (проводящей части, контактирующей с землёй) и заземляющих проводников, образующих путь для стекания тока.
Ключевой характеристикой качества заземляющего устройства является его сопротивление. Чем оно ниже, тем эффективнее система. На этот показатель напрямую влияют свойства грунта: его состав (глина, песок, торф), уровень кислотности или щёлочности, влажность и плотность. В некоторых случаях для достижения необходимых параметров приходится применять специальные комплекты заземления или даже проводить частичную замену грунта.
Заземлителей может быть несколько, и их часто располагают по контуру защищаемого объекта. Обычно это металлические электроды (стержни, трубы), погружённые в почву и соединённые между собой.
Типичный контур заземления — это группа вертикальных электродов (часто длиной около 3 метров), забитых в грунт и соединённых горизонтальной металлической полосой, проложенной на глубине до метра. Соединение элементов выполняется сваркой или, в случае готовых комплектов, на резьбе.
Для чего нужно рабочее заземление?
Рабочее (или функциональное) заземление решает следующие задачи:
- Защита от статического электричества и атмосферных разрядов: Отводит опасные токи, например, от молнии, предотвращая повреждение дорогостоящего оборудования.
- Предотвращение последствий замыканий в сети.
- Защита от перенапряжений. Классический пример — молниеотвод, подключённый к заземляющему контуру, широко применяемый для защиты трансформаторов и генераторов.
Как работает защитное заземление
Защитное заземление — это комплекс мер, направленных исключительно на обеспечение безопасности людей и целостности оборудования. Оно нейтрализует опасность поражения током при касании корпуса неисправного прибора, а также снижает уровень электромагнитных помех.
Молниезащита зданий и сооружений
Молния всегда ищет путь с наименьшим сопротивлением к земле. Это могут быть деревья, влажные стены или металлические конструкции. Если здание не оборудовано молниеотводом, разряд может пройти через электропроводку или бытовые приборы, создав смертельную опасность для людей. Правильно смонтированная система молниезащиты перехватывает разряд на крыше и по проводнику с низким сопротивлением (не более 4 Ом) безопасно отводит его в грунт, не позволяя энергии проникнуть внутрь.
Защита от импульсных перенапряжений (УЗИП)
Современная электроника крайне чувствительна к резким скачкам напряжения, которые могут возникать не только при прямом ударе молнии, но и при грозовых разрядах поблизости. Избыточный заряд, наведённый в линиях электропередач, способен вывести из строя бытовую технику. Для защиты устанавливаются специальные Устройства Защиты от Импульсных Перенапряжений (УЗИП), которые «сбрасывают» опасный импульс в контур заземления.
Защита человека от поражения током
Металлические корпуса электроприборов являются хорошими проводниками. При повреждении изоляции на корпусе может появиться опасный потенциал. Касание такого прибора приводит к прохождению тока через тело человека. Защитное заземление создаёт для тока альтернативный, более лёгкий путь с малым сопротивлением — через заземляющий провод в землю. Даже простейшее самодельное заземление (провод от корпуса к вбитому в землю металлическому штырю) может спасти жизнь, так как ток предпочтёт металл человеческому телу.
Особенно актуальна эта проблема в старом жилом фонде, где такие системы изначально не предусматривались.
Сравнение рабочего и защитного заземления
Согласно правилам, рабочий и защитный контуры заземления не должны совмещаться в одной схеме. Их задачи различны: рабочее обеспечивает стабильность работы оборудования, а защитное — безопасность людей. При совмещении в случае аварии (например, удара молнии) защитная функция может не сработать.
Рабочее заземление часто дополняется предохранителями, которые принимают на себя удар. Оно устраивается в строгом соответствии с требованиями производителя оборудования.
К защитному заземлению предъявляются более жёсткие требования, так как оно напрямую связано с сохранением жизни и здоровья.
| Назначение рабочего заземления | Назначение защитного заземления |
| Мощное промышленное оборудование | Трёхфазные приборы мощностью до 1 кВт |
| Чувствительная электронная и медицинская аппаратура | Одно- и двухфазные бытовые приборы |
| Оборудование для обработки важной информации | Техника мощностью более 1 кВт |
| — | Сети с защитным нулевым проводником (TN-C-S, TN-S) |
Наиболее надёжным решением для дома является трёхпроводная сеть (фаза, ноль, земля), где заземляющая жила в каждой розетке подключена к общему защитному контуру.
Нормативные требования к защитному заземлению
Эффективность заземления зависит от множества факторов, которые необходимо учитывать при проектировании.
- Свойства грунта: Лучшие проводники — влажная глина, торф, солончаки. Худшие — сухой песок, гранит, щебень.
- Площадь контакта с землёй: Чем больше площадь электродов и их количество, тем ниже сопротивление. Часто электроды объединяют в контур или используют длинные вертикальные штыри для достижения более влажных и проводящих слоёв грунта.
Поскольку точно измерить сопротивление почвы на всём участке сложно, при монтаже закладывают запас прочности, стремясь к минимально возможным значениям сопротивления. Нормы различаются: для подстанций 110 кВ — не более 0.5 Ом, а для домашней сети с УЗО — может достигать нескольких сотен Ом.
Металлические элементы заземлителей запрещено окрашивать, так как краска увеличивает сопротивление. Для защиты от коррозии сварные швы обрабатывают специальными составами. Категорически нельзя использовать в качестве заземления газовые или водопроводные трубы.
Согласно ПУЭ (Правила Устройства Электроустановок), заземлению подлежат:
- Сети напряжением выше 380 В.
- Электроустановки в помещениях с повышенной опасностью и наружные установки.
- Корпуса электрооборудования, приводы аппаратов, металлические каркасы щитов, оболочки кабелей и другие доступные для прикосновения металлические части.
Заземление не требуется для цепей сверхнизкого напряжения (менее 42 В переменного или 110 В постоянного тока).
Заземление в быту
Основная опасность в квартире или доме исходит от приборов с металлическим корпусом: стиральных машин, бойлеров, варочных панелей, ПК. При повреждении изоляции корпус оказывается под напряжением, и прикосновение к нему ведёт к удару током. Чаще происходит не короткое замыкание, а утечка тока, которую обычный автомат может не заметить, но которая опасна для человека.
Безопасность обеспечивают розетки с заземляющим контактом, к которым подведён трёхжильный кабель (фаза, ноль, земля). Заземляющий проводник должен быть подключён к отдельному защитному контуру, а не к инженерным коммуникациям.
Взаимодействие заземления и УЗО
Рассмотрим сценарий неисправности, когда на корпусе прибора появилось напряжение.
- Без заземления и УЗО: Человек получает полный удар током до срабатывания защиты или отрыва от контакта.
- Только с УЗО: Устройство обнаружит утечку через тело человека и отключит питание за доли секунды (0.02-0.03 с), что обычно безопасно.
- Только с заземлением: Ток сразу уходит в землю, напряжение на корпусе резко снижается.
- Заземление и УЗО вместе: Наиболее эффективная схема. При утечке ток сразу стекает на землю, а УЗО, зафиксировав дисбаланс, мгновенно отключает цепь, обеспечивая двойную защиту.
Расчёт и монтаж заземляющих устройств
Теоретический расчёт параметров заземления основан на формулах, учитывающих сопротивление грунта, размеры и количество электродов. Однако на практике точно определить свойства почвы на всей площади сложно. Поэтому при монтаже руководствуются принципом создания запаса: стремятся получить сопротивление как можно ниже, используя усреднённые данные и увеличивая количество или глубину заложения электродов.
Практика монтажа заземлителей
Вертикальные электроды (штыри длиной 1.5-3 метра) считаются более эффективными, чем горизонтальные, так как достигают более стабильных и влажных слоёв грунта, менее подверженных промерзанию. Их забивают в землю и соединяют горизонтальной полосой на глубине около 0.5 метра, формируя надёжный контур с минимальным сопротивлением растеканию тока.