Как работает заземление

Что выступает в роли искусственного заземлителя

Заземляющий элемент выполняется в виде проводника (электрода) определенного материала, который помещается в грунт. В некоторых случаях монтируется несколько подобных заземлителей.

Определение ситуации, когда необходимо монтировать именно группу искусственных стержней, реализуется посредством специальных расчетов. Результатом вычисления обосновывается выбор конфигурации электрода по отношению к его сопротивлению — основному показателю, определяющему качество заземления.

Искусственный заземлитель изготавливается из таких материалов:

1. Омедненная сталь. Соединение меди и стали имеет хорошее сцепление. Стержни прочные, отлично контактируют с любыми материалами. За счет химических особенностей сплав обладает отличной электропроводимостью. Электрохимическая активность меди и стали незначительна, нормальная эксплуатация заземлителей из такого металла может достигать больше ста лет.
2. Оцинкованная сталь. Преимущества — коррозионная стойкость материала, низкое сопротивление, электроды устойчивы к кислотной среде.
3. Черные металлы. Недостаток — быстрое разрушение в агрессивном грунте (образуются коррозия и ржавчина). Высокая прочность материала повышает сопротивление растеканию тока, что крайне опасно для человека.

Помимо материала, искусственные заземлители различается по форме и по расположению в почве (углубленный вертикальный и протяжной горизонтальный тип).

Групповой и одиночный заземлитель: характеристики

Каждый отдельный тип заземлителя либо электрода имеет свои характеристики, которые важно учитывать при проектировании контура заземления. Рассмотрим каждый из них с подобранностями:

• лидирующее место в использовании занимает групповой заземлитель. Считается, что его применение зарегистрировано гораздо чаще, чем использование одиночного. Однако, оба типа имеют схожие характеристики. Тем не менее количественная характеристика приспособлений имеет несколько иные закономерности. Ответим вопрос, почему так часто используют сложные (групповые) заземлители. Мы выяснили, что перед непосредственной реализацией проекта находится сопротивление материалов контура. Считается, чем больше будет установленных электродов, тем ниже будет сопротивление уравнителей потенциала.

• Одиночный электрод несколько уступает групповому, несмотря на аналогичные черты. Характеристики устройства должны учитываться для того, чтобы работа контура по обеспечению была оптимальной для конкретных условий. Течение тока через одиночный заземлитель сопровождается возникновением электрических потенциалов.

Смотрите схемы заземлителей с условными обозначениями ниже.

Искусственный и естественный заземлитель: преимущества

Искусственный контур специально выполняется для реализации заземления. Производятся соответствующие расчеты, определяется, какое оптимальное количество стержней необходимо смонтировать для реализации надлежащего сопротивления. Работа трудоемкая, требуется закупка определенных материалов для создания конструкции.

Примеры специальных заземляющих устройств:

• железные балки, трубы, стержни или уголки, монтируемые в землю;
• разной формы стальные полотна, которые закладываются в грунт.

Преимуществом электромонтажа заземления с применением естественного заземляющего устройства выступает его бюджетность:

• минимальные затраты на материал;
• монтаж заземляющего контура не требует значительных капиталовложений.

Выбор стержней для модульно штыревого заземления

Обычно они идут омедненные стандартной длины 1,5м. Для подвалов, где низкие потолки,  можно взять и покороче – 1,2м.

Самый распространенный диаметр стержней – 14мм.

Говорят, что чем выше пятно контакта с землей, тем лучше. Безусловно это так. Но не ждите каких-то супер улучшенных характеристик по сопротивлению при увеличении сечения.

Согласно формуле расчета заземления для одиночного вертикального заземлителя, диаметр не шибко влияет на общий показатель.

Даже если вы его увеличите на 100%, то сопротивление уменьшится всего на 9%.

Не то, что вы ожидали, правда? Поэтому особого смысла переплачивать и покупать максимально толстые штыри нет.

Берите минимально допустимые по нормам.

Помимо омедненных, есть еще один вид стержней с резьбой — безмуфтовые оцинкованные. В них стержень просто вворачивается один в другой. На краю одного штыря находится наружная резьба, на другом внутренняя.

Что лучше, медь или цинк однозначно сказать нельзя. Каждый производитель всегда нахваливает именно свою продукцию.

Однако имейте в виду, что медное покрытие хотя и устойчиво к коррозии, но только до тех пор, пока его не повредили.

А поцарапать его можно очень легко. Например, при использовании газовых ключей, затягивая соединительные муфты.

Либо при вхождении в каменистую почву, сковырнув верхний слой острыми гранями камешков.

В этом случае медный защитный покров разрушается и место царапины начинает активно окисляться. Далее происходит постепенное, но неумолимое разрушение стального сердечника, вследствие чего резко ухудшается общее сопротивление всего контура.

Именно поэтому медное покрытие должно быть как можно толще. Рекомендуемое значение – не менее 0,25мм (включая резьбу!).

С цинком все наоборот. Такие штыри не особо боятся внешних повреждений. В них цинк по отношению к стальному сердечнику является восстановителем.

Поэтому здесь корродировать в первую очередь будет цинк, и только затем сталь. И пока весь цинковый слой не испортится, стальной сердечник будет чувствовать себя хорошо.

Тем не менее гарантийные сроки работы, указываемые производителями примерно следующие:

омедненные стержни – 30 лет

оцинкованные – от 20 до 30 лет

Еще бывают комплекты из нержавейки.

Такие предназначены для тех, кто вообще не экономит на электрике и хочет сделать контур, что называется “на века”.

Принцип соединения железобетонных конструкций

Соединения между деталями производятся, ориентируясь на образование между ними электрической цепи (проходит по металлу). Заблаговременно подготавливаются закладные элементы внутри железобетонных конструкций, посредством которых реализуется соединение технологического или электрического оборудования для последующего заземления.

Наличие болтов, заклепок, сварки или аналогичных соединений позволит смонтировать постоянную коммутационную электрическую цепь. При отсутствии подобных соединений предусмотрен вариант создания аналогичных соединений с использованием гибких перемычек. Эти элементы привариваются к частям конструкции. Стандартизация сечения перемычек составляет 100 кв. мм и выше.

https://youtube.com/watch?v=nUFvHg5RUz8

Основные правила

Заземлять трубопровод необходимо в обязательном порядке – данное требование прописано в ПУЭ. Хотя на первый взгляд трубопровод и электроустановки имеют мало общего, однако будучи металлической конструкцией, он может пропускать ток и представлять опасность.

Использование заземления дает возможность существенно увеличить уровень безопасности во время прокладки или ремонта. При эксплуатации трубной системы передаваемому веществу свойственно генерировать статическое электричество. Кроме того, никто не исключает вероятность прямого попадания молниевого разряда в трубу.

Согласно действующим правилам, заземлению подлежат не только внешние трубопроводы, но и внутренние. К последним относятся коммуникационные и технологические.

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.

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.

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.

Общие понятия

Для более чёткого понимания и восприятия материала рассмотрим два типа электрических сетей. Внешняя питающая электросеть — линии электропередач (ЛЭП), по которым электроэнергия поступает к нам в дом.

На фото ниже показан фрагмент городской воздушной линии электропередачи, питающей жилые дома по моей улице. В типовом случае используют четыре изолятора (ролика) закреплённых на опоре. Три верхних изолятора используют для фазных проводников (обозначены L1, L2, L3) и нижний изолятор используют для нулевого рабочего проводника (обозначен буквой N). При однофазном питании в жилой дом электроэнергия поступает по двум проводам (на фото показана отходящая линия (L1 — N), при трёхфазном электроснабжении в жилой дом электроэнергия поступает по 4 проводам, т. е. используются все четыре провода.

Таким образом, городская воздушная линия (ВЛ) представляет собой четырёхпроводную систему (обозначаемую комбинацией букв TN-C), в которой проводник N (в современной терминологии PEN) совмещает в себе функции рабочего и защитного проводника. Данная система (TN-C), несмотря на её существенные недостатки, для внешних питающих сетей разрешена к применению. Но вот использовать её внутри жилых помещений согласно действующим нормативным документам нельзя.

Внутренняя (внутридомовая) электрическая сеть — лектрическая сеть, проложенная внутри дома, посредством которой обеспечиваются электроэнергией потребители в жилом доме и в хозяйственных постройках, а также освещение помещений дома и хозяйственных построек.

Как отмечалось выше, использовать систему TN-C внутри жилых строений запрещено. К использованию разрешена лишь система TN-C-S. Причин достаточно:

• Невозможность системы TN-C обеспечить требуемую электробезопасность для жильцов дома и безопасность самого строения.
• Невозможность использования (по крайней мере, полноценного) современных устройств защитного отключения.
• Невозможность правильного и безопасного подключения современных бытовых приборов (телевизор, стиральная машина, холодильник и т. д.).

Для наглядности рассмотрим подключение к внутридомовой электросети современной бытовой техники, имеющей трёхконтактную вилку (в обиходе называют евровилкой). При однофазном питании жилого дома в дом приходит два провода (фазный и нулевой), как показано на фото выше. Для правильного и безопасного подключения бытовой техники, оборудованной евровилкой, требуется три провода, фазный (L), нулевой рабочий (N) и защитный (PE). Что и показано на фото ниже слева.

Таким образом, в случае подключения бытовой техники к двухпроводной электропроводке оборудование работать будет. Такое подключение современной бытовой техники характерно для старых многоквартирных домов. Но в этом случае возникает реальная угроза поражения электрическим током. Почему? Если посмотреть на схему подключения внутри самого устройства (стиральная машина, холодильник и т. д.), то мы увидим, что третий защитный провод (PE), идущий от вилки, подключён к корпусу оборудования. На фото справа показано подключение защитного проводника внутри сварочного аппарата (обведено белым кругом). Аналогично подключаются и прочее электрооборудование (стиральная машина, холодильник и т. д.). За счет такого подключения корпус электроприбора всегда защищён от появления на нём высокого (фазного) напряжения. Так как в случае повреждения (пробоя) изоляции и появления фазного напряжения на корпусе прибора, сработает защитный автомат (либо по току короткого замыкания, либо по току утечки) и отключит неисправный прибор. Тем самым исключается возможность поражения человека электрическим током при неисправном оборудовании.

К сожалению, на практике ситуация такова:

• Люди мирятся (либо вынуждены мириться) с возможной опасностью поражения электрическим током при использовании в доме устаревшей (двухпроводной) электрической сети.
• Начинают пытаться «решать проблему» народными методами.

Так, например, в сети Интернет высказывается идея объединить (соединить между собой) контакты проводников N и PE в розетке. Тем самым, якобы, корпус электроприборов будет занулён, и будет обеспечена безопасность жильцов. Делать этого категорически нельзя, так как вероятность поражения электрическим током существенно возрастает. Чтобы понять почему, рекомендую посмотреть мою статью «Электромонтажные работы в доме — по британскому стандарту».

Таким образом, для правильного безопасного подключения электрооборудования в доме с возможностью использования современных защитных устройств (УЗО), требуется модернизация (реконструкция) электрической сети в жилом доме.

Расположение электродов

Входящие в общую заземлительную конструкцию детали могут располагаться вертикально или горизонтально. При первом способе монтажа электроды закапываются в грунт на 70 см. При этом их длина не должна превышать 5 м, а диаметр должен находиться в диапазоне 10−16 мм.

Горизонтальный метод укладки предполагает углубление заземлителей на 50 см (в случае с пахотной землёй на — 1 м). Горизонтально расположенные стальные пруты диаметром более 1 см (либо стальные полосы толщиной более 4 мм) используются для связывания вертикально установленных элементов, стыки между ними фиксируются при помощи сварки. Такой метод показывает свою эффективность лишь при достаточной электропроводимости верхнего слоя грунта.

Правила устройства электроустановок обязывают обеспечить заземление для электрооборудования бытового и промышленного назначения. Чётких требований относительно того, как электроды должны располагаться в грунте, не существует. В каждом конкретном случае это определяется индивидуально.​

Вам это будет интересно Принцип работы электронных и механических реле времени

Электрическая безопасность, созданная с помощью искусственных заземлителей, реализуется с помощью уменьшения разности потенциалов и отвода блуждающего тока. Ток утечки возникает вследствие взаимодействия заземляющего элемента и фазного кабеля. Одновременно обеспечивается бесперебойное и эффективное функционирование электротехники.

Как устанавливать искусственный электрод в грунт

Искусственный заземлитель в процессе изготовления неоднократно подвергается проверке на соответствие всем параметрам нормативных требований. Аналогичная ситуация с его установкой и расположением в грунте. Обобщив данные, можно выделить основные моменты производства такого электромонтажа:

1. Процесс установки практически полностью механизирован.
2. Если предусмотрено два протяженных (горизонтальных) луча, от заземляемой части электроустановки электроды прокладываются в противоположных направлениях. При условии, что заземлителей больше двух, прокладка лучей осуществляется под наклоном (угол в 120° – 90°). Обусловлено такое размещение улучшением показателя сопротивляемости.
3. При монтаже заземлителя часто происходит распределение потенциалов. Разница потенциала на поверхности грунта (сверху заземлителя) и вокруг элемента (внутри почвы) служит причиной возникновения опасных напряжений. Для выравнивания потенциалов в таких случаях искусственный заземлитель изготавливается в форме сетки. Горизонтальные электроды прокладываются как вдоль, так и поперек площади электроустановки. Соединения на местах пересечения выполняются сваркой.

Завершающим этапом выполнения заземления обязательно будет работа по измерению параметров сопротивления заземления.

Разновидности конструкций

Применение неправильно подключённых электроприборов может быть небезопасным. Опасность состоит в том, что в процессе использования может случиться пробой, в результате которого напряжение перейдёт на корпус устройства. Это напряжение может как вывести из строя сам прибор, так и нанести человеку электротравму разной степени тяжести (вплоть до летального исхода). Для предотвращения подобных проблем могут быть использованы два вида заземления:

• Естественное. К нему относятся массивные конструкции, постоянно находящиеся в земле. Роль естественных заземлителей отводится фундаментам зданий, водопроводным трубам, металлоконструкциям и шпунтам, хорошо закреплённым в грунте. Достоинство таких конструкций в том, что на обеспечение заземления с их помощью не требуется дополнительных затрат. Однако сопротивление естественного контура невозможно рассчитать.
• Искусственное. Заземление такого рода создаётся специально из горизонтальных и вертикальных элементов (электродов), изготовленных из определённого материала и имеющих конкретный размер. В качестве основных элементов искусственного контура чаще всего выступают стальные детали, имеющие круглую или угловую форму. Качество такого заземления зависит от сопротивления, которым обладают искусственные заземлители. Определение сопротивления каждого электрода осуществляется по специальной формуле.

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.

Как устроено заземление в квартире

Системы заземления, используемые в современных новостройках, которые были построены после 1998 года, — являются ТN-S и ТN-С-S, с предусмотренным в них выделенным заземлением. Проводка прокладывается по системе из трех жил, которая подключена к контуру заземления.

Основная отличительная характеристика систем распределения электрического питания в новых и старых возведениях заключается в наличии или отсутствии отдельных заземляющих проводников. До 1998 года применялись ГОСТы СССР, в соответствии с которыми не предусматривалось наличие заземляющего провода в схеме. В связи с небольшим ассортиментом бытовой техники у населения, ранее отсутствовала необходимость в таком проводе.

По мере увеличения количества бытовых приборов по домам, в электросетях возводимых новостроек начали появляться отдельные проводники заземления. Они сосредоточены в распределительных щитах, которые установлены во всех подъездах.

В данном разделе рассмотрим пример, когда в многоэтажном доме имеется устройство заземления.

ВРУ (вводное распределительное устройство) дома

Схема электрического снабжения, которая используется в настоящее время, называется TN-S. Она предусматривает разведение заземляющего провода наряду с нулевым и фазовым проводом по всему зданию и прохождение его отдельно до самой подстанции, в надежное и глубокое место под землей.

Такой системой предусматривается применение кабеля из пяти жил, который заводится в вводное распределительное устройство. Окраска трех фазных проводов производится в по цветовой маркировке. Четвертый провод является нулевым, а его окраска осуществляется в синий или голубой цвет.

Пятый зеленый или желто-зеленый провод применяется в качестве заземляющего проводника. Он подключается к ГЗШ – отдельной шине, соединенной с корпусом распределительного щита.

Магистральный провод заземления

Начиная от ВРУ и заканчивая последним этажным щитом по стоякам через каждый этажный щит проходят магистральная линия электроснабжения.

Магистраль состоит их трех фаз, нулевого и заземляющего провода. В электрощите каждого этажа имеется соответствующая шина для подключения магистрали того или иного провода.

Шина заземления в этажном щите

В этажном щите ответвление магистрального заземляющего проводника выполняется на отдельную шину. Именно к этой шине подключаются все заземляющие провода каждой квартиры. Если шина PE в щите не предусмотрена к специальным клеммным колодкам.

PE проводник в квартиру

Обычно в новостройках в каждой квартире расположен свой щиток. Питание к нему поступает отдельным кабелем трех- или пяти-проводным (в зависимости от количества фаз). В составе этого кабеля имеется отдельная жила – заземляющая. С обеих сторон она подключается к шинам PE этажного и квартирного щита.

Из рассылки

Короткое замыкание Автоматы защитыЗащита от токовой утечкиКак расключать распределительный электрощитСерия рассылок: «Умные устройства». 1. Диммер- что это такое и как можно использоватьСерия рассылок: «Умные устройства». 2. Блок защиты, датчик движения, таймер отключения и еще кое-чтоКак управлять включением/выключением электропотребителей из 2-х, 3-х, 4-х, … мест. Реализация: двухпроводная система с применением бистабильного релеКак защитить бытовую технику от перенапряжений и индустриальных помех в сети электропитания. Стабилизация напряжения.Автоматизация водоснабжения в частном домеВключение потребителей (например, нагревательные установки) по заданной временнОй программеВключение света, звукового извещателя или видеокамеры при появлении движущегося объекта в зоне действия датчикаЗащита галогенных ламп и ламп накаливания от перегорания, продление их службы в несколько разВключение/выключение света (и не только) в зависимости от времени суток (сумерки/рассвет)Отключение питания от потребителя в случае превышения потребляемой мощности. Защита от несанкционированного подключения к питающей сетиОтключение от электропитания неприоритетной цепиКак имитировать присутствие человека в помещении путем включения/выключения света через случайные промежутки времениКонтроль и поддержание заданной температуры в помещенииКак заставить работать вентилятор в санузле после отключения освещения на установленный отрезок времени

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.