Для чего нужно заземление оборудования обработки информации

При построении структурированных кабельных систем (СКС), сетей передачи данных и ЛВС, а также других объектов информационных технологий у многих специалистов-электриков закономерно возникают вопросы по проектированию заземления. Чтобы не было неопределённостей в этих вопросах введём базовые понятия и определения в этой сфере знаний.

В соответствии с международными и российскими нормативными документами имеются два больших класса заземлений: защитное и функциональное заземление. Также можно использовать терминологию (рабочее или информационное заземление). Исходя из этих факторов, шины заземления или проводники, маркируются как PE — защитное заземление и FE — функциональное заземление.

Воспользуемся основным нормативным документом для инженера-электрика, а именно, «Правилами устройства электроустановок» ( ПУЭ п.1.7.29 ): Защитное заземление выполняется только в целях электробезопасности. При работе с любыми электроприборами персонал должен быть надёжно защищен от токов низкой частоты и высокой амплитуды, которые представляют серьёзную угрозу здоровью и жизни каждого человека.

А вот заземление, которое мы называем информационным (функциональным), обеспечивает именно работу самой электроустановки. То есть, такое заземление выполняется не в целях электробезопасности объекта. При разработке таких систем можно исходить из положений ПУЭ п. 1.7.30.

Проектировщику надо знать, что нельзя использовать только информационное заземление, без применения защитного.

Работа функционального заземления идёт с токами высокой частоты и низкой амплитуды и задача его обеспечить электромагнитную совместимость (ЭMC) и защитить от электромагнитных помех. Токи ВЧ низкой амплитуды непосредственно не угрожают жизни человека, но могут влиять на качество связи, например в СКС.

При определении задач FE советуем руководствоваться ГОСТ Р 50571.22-2000 п. 3.14 (707.2), который как раз таки описывает как спроектировать заземление для систем обработки информации и связи.

Проектировщики, как правило, выставляют жёсткие требования, при соблюдении которых на корпусе заземляемого устройства не должно быть даже самого маленького электрического потенциала. Именно это условие и есть залог нормального функционирования оборудования связи или информационных технологий.

Как выполнить функциональное заземление на объекте?

Для этой цели необходимо использовать заземляющее устройство функционального заземления вместе с функциональными проводниками, которые служат для соединения электроприёмников с главной заземляющей шиной. При этом, согласно ГОСТ 50.571-4-44-2011 п. 444.5.1. все проводники защитного и функционального заземления должны быть соединены с этой шиной, а заземлители соответствующего назначения соединены между собой. Такие меры необходимы для исключения их влияния друг на друга, которое приводит к опасному повышению напряжения, риску повреждения оборудования и опасности поражения электрическим током.

Если следовать положениям ГОСТ Р 50571.21-2000 п. 548.3.1, то можно реализовать такое схемное решение: объединяем функциональные и защитный проводники (соответственно FE и PE) в специальный проводник (PEF-проводник). А уж затем присоединим его к ГЗШ, так называемой, главной заземляющей шине электроустановки. В TN-S системе для функционального заземления разрешается использовать PE-проводник цепи питания оборудования обработки информации.

Заземляющие системы (ЗС)

Согласно основным положениям ПУЭ, заземление электроустановок и рабочего оборудования может быть организовано несколькими способами, зависящими от схемы включения нейтрали на трансформаторной подстанции. По этому признаку различают несколько видов систем заземления, обозначаемых в соответствии с общепринятыми правилами. В основу их классификации заложено сочетание латинских значков «T» и «N», что означает заземлённую на подстанции нейтраль трансформатора.

Добавляемые к этому обозначению буквы «S» и «C» являются сокращениями от английских слов «common» – общая прокладка и «select» – раздельная. Они указывают на способ организации заземляющего проводника на всём протяжении питающей линии от подстанции до потребителя (в первом случае – совмещённый PEN, а во втором – раздельные PE и N). Объединённое через дефис «C-S» означает, что на некоторой части трассы заземляющий проводник совмещён с рабочим «нулём», а на оставшемся её участке они прокладываются раздельно.

Требования к информационному заземлению

FE-заземление обычно описывается требованиями, которые излагаются в эксплуатационной документации изготовителя изделия (паспорт, технические условия, технический регламент и пр.) или в ведомственных нормативных документах. К примеру, для продуктов и систем информационно-коммуникационных технологий (ИКТ), ранее средств ВТИ, будем использовать положения нормативного документа СН 512-78 («Технические требования к зданиям и помещениям для установки средств вычислительной техники»). Опираясь на инструкции, изложенные там, приходим к выводам, что сопротивление заземления такого оборудования не должно превышать 1 Ом. А вот если мы проектируем заземление для чувствительных медицинских приборов, то это значение будет не более 2-х Ом. («Пособие по проектированию учреждений здравоохранения к СНиП 2.08.02-89»).

Здесь используется, так называемая «лучевая схема заземления», с заземлителем типа FE (низкоомным), что приводит к работе без электрических помех всего комплекса ИКТ. В отдельных случаях так же возможно использовать и модульный глубинный заземлитель.

Введём понятие электромагнитной совместимости (ЭМС) оборудования и для этого обратимся к ГОСТ Р 50397-92 (МЭК-50-161-90). ЭМС оборудования, рассматривается в общем случае, как способность оборудования качественно работать в условиях заданной электромагнитной обстановки и не создавать недопустимых помех электромагнитной природы другим приборам и электросети.

И далее с этих позиций попытаемся выяснить причинно – следственную связь между FE – заземлением, ЭМС и безопасностью ИКТ.

Продукт или система ИКТ будет удовлетворять требованиям Европейской директивы по ЭМС EN 55022 при выполнении следующих условий:

• Электромагнитное излучение от активного оборудования в окружающую среду не превышает нормативы EN 55022
• Помехозащищенность активного оборудования не уступает нормативам EN 55024
• Информационная кабельная проводка (т.е. среда передачи сигналов) правильно смонтирована и корректно заземлена

Ещё один важный фактор – это уравнивание потенциалов между заземляющими устройствами PE и FE – типов. Именно этим моментом определяются условия электробезопасности персонала, а также и помехоустойчивость систем ИКТ. Как это реализуется на практике? Обычно электрики монтируют кольцевой соединительный проводник и соединяют его с ГЗШ.

Если же продукты ИКТ работают с напряжением питания 5-12 В постоянного тока и являются слаботочными, то здесь возможны паразитные сигналы, возникшие именно из-за разности потенциалов и их флуктуаций. Дело в том, что некоторые системы ИКТ могут воспринять такой паразитный сигнал, как информационный, вследствие этого, могут произойти сбои в сетях связи, на серверах, а также нарушения работы информационно – измерительных систем. Особенно опасна такая ситуация на объектах критической инфраструктуры.

Другим аспектом качества FE – заземления является информационная безопасность продуктов и систем ИКТ. Дело в том, что побочные электромагнитные излучения и наводки (ПЭМИН) наряду с проблемами ЭМС создают технические каналы утечки конфиденциальной информации, хорошо известные специалистам по информационной безопасности (ИБ).

Особенно актуальна эта проблема для компьютерного оборудования и систем передачи данных, задействованных в обработке информации, которая считается конфиденциальной. Но это уже другая история, относящаяся к компетенциям ФСТЭК, Роскомнадзора и ФСБ.

Сопротивление

Одним из основных показателей эффективности работы заземления является электрическое сопротивление всей системы в целом, которое согласно пункту 7.1.101 ПУЭ (издание седьмое от 2021 года) не должно превышать следующих значений:

• для трансформаторных подстанций 6-35 киловольт и питающих генераторов – не более чем 4 Ома;
• для жилых объектов с питающими напряжениями 220 или 380 Вольт – не более 30-ти Ом.

Сопротивление заземления может регулироваться специальными методами, предполагающими выполнение следующих операций:

• увеличение эффективной площади соприкосновения металлоконструкции с почвой за счёт включения в её состав требуемого количества дополнительных элементов;
• повышение удельной проводимости в зоне размещения контура заземления путём добавления в грунт растворённых в воде соляных составов;
• сокращение длины участков трасс, по которым заземляющие проводники прокладываются от защищаемого оборудования и распределительного шкафа с ГЗШ в сторону ЗУ.

Помимо этого защитные свойства системы заземления зависят и от характеристик грунта в месте обустройства заземлителя.

Независимое исполнение FE – заземления

Для высокочувствительных медицинских приборов в учреждениях здравоохранения необходимо выполнять отдельное функциональное заземление, которое не связано с защитным, а также с системами уравнивания потенциалов объекта.

При данном выполнении функционального заземления заземляющее устройство FE-заземления необходимо размещать отдельно (не менее 15 метров) от зоны влияния PE – заземлителей. Следует подчеркнуть, что такая схема представляет собой особый (нетипичный) вариант заземления и тут применимы повышенные меры электробезопасности.

Если в документации на оборудование ИКТ прямо указано на необходимость независимого информационного заземления, то в этом случае в шкафу с оборудованием, как правило, монтируют две независимые шины заземления PE и FE. Шину FE в таком случае изолируют полностью от корпуса шкафа, экраны сигнальных проводников присоединяют к ней.

На практике FE-проводник присоединяют с помощью медного кабеля (сечение от 1х25 мм2), который надежно изолирован с FE-заземлителем. Причём этот заземлитель должен быть отнесён на безопасное расстояние (более 20 м) от PE-заземлителя. А вот корпус шкафа, где размещено оборудование, должен быть заземлён с помощью проводника PE на шину уравнивания потенциалов, которая соединена с ГЗШ.

Свойства грунта

Ещё одним показателем эффективности работы заземления является величина тока стекания в грунт, которая также закладывается в нормативные ограничения, оговариваемые соответствующими пунктами ПУЭ. Значения этого параметра определяются составом почвы в месте расположения заземлителя, а также зависят от её влажности и температуры.

Практически установлено, что оптимальные условия, обеспечивающие эффективное распределение токов стекания и позволяющие упростить размещаемую в земле конструкцию заземления, создаются в особых грунтах. Это почвы, содержащие глину, суглинок или торфяные составляющие. При наличии указанных компонентов и высокой влажности почвы условия для растекания тока в месте обустройства заземлителя считаются идеальными.

Варианты подключения однофазной нагрузки в системах IT-заземления

• Как правило, для нефтяных судов предусмотрена установка двух параллельных трехфазных линий: 3 фазы 0,4 кВт и 3 фазы 230 В. Поэтому при подключении прибора, предназначенного для применения в сетях 230 В, действие производится между двумя фазами, в сеть 230 V, где существует линейное напряжение.

В отличии от обычного способа получения напряжения 220В, когда используется схема «звезда», в системах заземления IT применяется схема «треугольника» — нагрузка в 220В подключается непосредственно к одной из сторон обозначенной схемы.

• Второй вариант подключения однофазных нагрузок в системах заземления IT предполагает использование трансформаторной установки. Однако и здесь действия можно осуществить двумя разными способами: система IT-заземления может быть оборудована после трансформатора либо установка при помощи вторичной обмотки будет обеспечивать искусственную нейтраль/фазу ноль.

Как правило, такой вариант защиты предусматривает использование трансформатора 380В/220В, в котором подключение первичной обмотки производится к двум из трех фаз. Если необходимо обустройство заземления, один из выводов обмотки заземляют, тем самым получая системы ТN-C-S. От правильности выбора УЗО и защитного автомата зависит качество защиты в случае короткого замыкания или прямого прикосновения к корпусу электрооборудования.

Наиболее безопасной считается система IT-заземления, где к корпусу не подключается ни одного вывода трансформаторной установки. При этом тип трансформатора не имеет значения. Главным условием остается наличие напряжения на выходе 220 V – линейное или фазное.

Частые проблемы и решения

Подключение электрооборудования обычно не вызывает никаких проблем. Определенные сложности могут возникнуть с автоматикой. Это связано с корректностью работы электроприборов при подключении их питания непосредственно между фазами (линейно) 230 В. Не все из требуемых установок могут функционировать при данном условии. Если возникла подобная проблема, решением может стать замена прибора либо использование маломощного трансформатора, где после вторичной обмотки расположен искусственный ноль (нейтраль).

С теоретической точки зрения, источник напряжения в 220В для прибора не имеет значения. Однако на практике могут регистрироваться некоторые несоответствия между значениями датчиков. К примеру, при подключении электроприбора к обычному фазному напряжению техника будет исправно работать, а вот измерения сигнала заведомо рабочими датчиками выдают разные значения.

Для мобильного оборудования

Существуют и другие системы организации защитного заземления оборудования (TT и IT, например), использующие нейтральный проводник в качестве «нулевого» и предполагающие обустройство повторного ЗУ на стороне потребителя. В первом случае нейтраль на подстанции глухо заземлена, а во втором – вообще никуда не подсоединяется. Эти варианты включения нейтрали используются редко и лишь в тех случаях, когда требуется сделать повторное заземление мобильных электроустановок (при условии что на стороне генератора сделать это очень сложно).

Согласно ГОСТ 16556-81 для передвижного электрооборудования используется рассмотренная выше система IT, при реализации которой на стороне потребителя организуется повторное заземление. Этим стандартом оговариваются технические характеристики и параметры ЗУ, которое временно устраивается в зоне предстоящих работ.

Технологии устройства заземления

Контур заземления устанавливается по одной из двух технологий:

• Традиционная.
• Модульно-штыревая.

Традиционная технология

По правилам традиционной технологии заземление выполняется из черного металла. В этих целях могут быть использованы полоски, трубы, уголки. Для начала выбирается подходящее для оборудования заземляющего контура место в почве. Затем на расстоянии 5 м друг от друга вкапываются в грунт металлические электроды (на глубину около 3 м в зависимости от объекта). Далее они собираются в общий контур с помощью сварки и стальной полоски.

Из-за трудоемкой установки и коррозии, свойственной металлу, сейчас чаще применяется более современная модульная технология.

Модульная технология

Для обустройства модульно-штыревой заземляющей технологии применяются металлические стержни с медным покрытием. Они вбиваются в грунт вертикально на глубину до 1 м. По краям нарезается резьба, которую тоже покрывают медью. Металлические элементы конструкции соединяют латунными муфтами. Для соединения горизонтальных и вертикальных частей берут латунные зажимы. Все детали обрабатываются специальной защитной пастой от коррозии.

Модульно-штыревая технология не нуждается в трудоемком монтаже и сварке. Она подходит для любого типа грунта и имеет больший срок службы, чем традиционная.

Технически совершенная система заземления здания обеспечивает надежную и безопасную работу электроприборов для потребителя. Во многих случаях правильное заземление может спасти жизнь человека.

Знак заземления размеры по госту

Друзья мы с вами выяснили, что места, где выполняется подключение оборудования к заземляющему проводнику необходимо маркировать специальным символом. Размеры данного символа и методы его выполнения регламентируются ГОСТ 21130-75. В этом ГОСТе речь идет о нанесении знаков на оборудовании заводом-изготовителем. Методов исполнения в этом случае не много: штамповка, литье в металле, ударный метод и прессовка в пластмассе.

Как можно понять нанесенные таким образом знаки будут иметь либо вдавленную, либо выпуклую поверхность. После изготовления одним из вышеперечисленных методом для большей наглядности знак дополнительно окрашивается.

Это было раньше. Мы же с вами живем в современном мире и понимаем что квартирный щиток никто на завод отвозить не будет для того что на нем поставили «заземляющий штамп».

Благо есть в ГОСТ 21130-75 примечание позволяющее наносить символы заземления не только штамповкой и литьем.

Для всех скептиков в ГОСТ 21130-75 к пункту 3.1 есть примечание 2, в котором сказано что допускается выполнять знаки заземления аппликацией, краской, фотохимическим и иными способами. Главное требование в таком случае соблюдение размеров.

А размеры знака заземления по ГОСТ 21130 75 должны быть такими:

Для изготовления методом литья на металле или прессования в пластмассе.

H	H1	D*	b	h	r
5	3.6	10	0.7	2.5	0.35
8	6.0	16	1.2	4.0	0.6
10	7.0	20	1.4	5.0	0.7
14	9.0	25	1.8	5.5	0.9
22	15.0	40	3.0	9.0	1.5
28	17.5	45	3.5	8.5	1.75
30	20.0	50	4.0	10.0	2.0
50	35.0	90	7.0	20.0	3.5

Для изготовления заземляющих символов ударным способом.

D	H	H1	b	h	r
14	8	6.0	1.2	2.5	0.6
18	10	7.0	1.4	5.0	0.7
25	14	9.0	1.8	5.5	0.9

Цвет окружности D вокруг знака, должен отличаться от цвета поверхности оборудования, на котором он нанесен. Как правило, фон окрашивается в желтый, а рельеф окружности выполняется черным цветом.

Сегодня очень популярный способ нанесения символа заземления в виде наклейки. Я сам люблю им пользоваться, очень просто и удобно (легко заменить в случае износа).

Сферы применения систем заземления IТ

Системы заземления IТ, ввиду своих конструктивных и функциональных особенностей, используются в электроустановках и зданиях, к которым предъявляются высокие требования к пожарной и электробезопасности. Также такие схемы используются на объектах, где необходима бесперебойная подача электроэнергии:

• в электрооборудовании шахт и рудников, для которых характерными являются сырые и взрывоопасные условия;
• в медицинских учреждениях (отделения хирургии и реанимации);
• в научных лабораториях – в таких учреждениях используется электрооборудование, для которого характерна повышенная чувствительность к перепадам напряжения;
• на взрывоопасных производственных объектах – химических, газовых и деревообрабатывающих установках;
• в помещениях с высоким уровнем влажности, гидроэлектростанциях и в других сооружениях, где высока опасность шагового напряжения;
• в установках специального назначения – схемы защитного IТ-заземления применяются для электрооборудования, где также высокой является опасность замыкания на землю.

Также схемами IТ укомплектованы электростанции переносного типа. Привычная схема ТN в таких аппаратах может быть использована далеко не всегда, так как на месте установки отсутствует привычный контур заземления. Как и любое другое заземление, функциональность системы IT-заземления требует периодических проверок электролабораторией.

Преимущества и недостатки использования схемы IТ-заземления

Перед другими схемами заземления конструкции IТ отличаются следующими достоинствами:

• относительной безопасностью при прикосновениях к токоведущим элементам электроустановок, которые находятся под напряжением;
• малым током утечки в случаях однофазного замыкания на заземленный корпус;
• возможностью продолжения работы оборудования вплоть до момента полного устранения возникшей неисправности, так как такое замыкание не считается аварийным;
• отсутствием шагового напряжения при случайном контакте провода с землей.

Однако применение схемы заземления IТ ограничивается:

• высоким уровнем опасности при работе в режиме КЗ между одной из фаз и заземляющим контуром, если коснуться к проводу другой фазы;
• низким током утечки на землю в случае однофазного замыкания – его недостаточно для того, чтобы срабатывали обычные виды защиты от КЗ.

Где используются системы заземления IT, отличия от других видов систем

Системы IT-заземления предназначены для использования на морских судах разного масштаба и применения, газовых и нефтяных платформах, на взрывоопасных объектах, шахтах, в медучреждениях. От остальных систем защиты такие схемы отличаются принципиально: в них отсутствует фаза ноль. На практике это означает, что получить однофазное напряжение в 220 V в сети из трех фаз не получится привычным способом, при помощи одного провода из фазы и второго из нуля/нейтрали или контура заземления. Таким образом, складывается ситуация, когда полностью запрещается подключаться к заземлению, а нейтраль отсутствует.

Функциональное заземление ПУЭ

Согласно Правилам устройства электроустановок, рабочим (или функциональным/технологическим) заземлением называется заземление точки или точек токоведущих частей электроустановки, выполняемое для обеспечения работы электроустановки, но не в целях электробезопасности.

Подразумевается, что оборудование работает надежно, а если сопротивление функционального заземления ≤4 Ом, то проблемы электробезопасности вообще исключены.

Понятие функционального заземления (далее FE) для сетей питания информационного оборудования и систем связи описано в следующих нормативных документах:

• ГОСТ Р 50571.22-2000, п. 3.14 (707.2): «Функциональное заземление: заземление для обеспечения нормального функционирования аппарата, на корпусе которого по требованию разработчика не должен присутствовать даже малейший электрический потенциал (иногда для этого требуется наличие отдельного электрически независимого заземлителя)».
• ГОСТ Р 50571.21-2000, п. 548.3.1: «Функциональное заземление может выполняться путем использования защитного проводника (РЕ-проводника) цепи питания оборудования информационных технологий в системе заземления TN-S.

Допускается функциональный заземляющий проводник (FE-проводник) и защитный проводник (РЕ-проводник) объединять в один специальный проводник и присоединять его главной заземляющей шине (ГЗШ)».

Для правильного понимания определений, данных выше, необходимо договорится о смысле некоторых слов:

• «Как правило» подразумевает, что требование (условие, решение) является преобладающим. Его несоблюдение возможно, но требует весомых обоснований.
• «Допускается» означает, что условие следует выполнять лишь как исключение в силу вынужденных обстоятельств.
• «Рекомендуется» – решение является оптимальным, но его выполнение не обязательно.
• «Может» символизирует правомерный вариант, один из нескольких.

Функциональное заземление ПУЭ

Работа с электроприборами, не подключенными к заземляющему контуру или заземленными с нарушением правил электробезопасности, может стать причиной несчастных случаев на производстве.

Также это приводит к выходу из строя как самих электроустановок, так и сопутствующего защитного и измерительного оборудования.

Правильно подключенное защитное заземление электроустановок обеспечит их защиту в случае выхода из строя изоляции токоведущих частей.

Общие сведения

Заземлением называется мероприятие по созданию контакта между корпусом электроустановки и землей, с целью защиты обслуживающего персонала и электроустановок.

В случае правильного подключения системы заземления электроустановок, при пробое изоляции, большая часть тока уйдет по заземляющему контуру, который имеет меньшее сопротивление, чем другие элементы цепи.

Согласно правилам безопасности, электроустановки и другие приборы, которые подлежат заземлению, можно подключить к естественным заземлителям. В их качестве используют:

• имеющие непосредственный контакт с землей металлические каркасы помещений;
• металлическую защитную обмотку кабелей, закопанных в землю;
• проложенные в земле металлические трубы (за исключением трубопроводов с горючими смесями);
• железнодорожные рельсы.

Подключение таких конструкций к электроустановкам позволяет снизить затраты на оборудование заземления.

Важность сопротивления

Основным параметром эффективности заземления электроустановок является величина электрического сопротивления.

Согласно нормам ПУЭ (Правил Устройства Электроустановок) сопротивление заземлителя на жилых объектах с напряжением сети 220 и 380 Вольт, должно составлять не более чем 30 Ом.

Сопротивление промышленного оборудования (трансформаторных подстанций, генераторов, сварочного оборудования и других приборов) не более чем 4 Ом.

Чтобы достигнуть заданного в ПУЭ значения сопротивления, необходимо обеспечить заземляющее устройство высокой проводимостью.

Для увеличения проводимости заземлителя в электроустановках и уменьшения его сопротивления необходимо выполнить одно из условий.

Во-первых, можно увеличить площадь соприкосновения заземляющего контура с землей. Достигается или увеличением площади металлической рамки заземлителя или помещением в грунт дополнительных стальных прутьев.

Во-вторых, можно повысить проводимость земли в месте установки заземлителя. Сопротивление повышается, если грунт поливать соляным раствором.

Еще один способ заключается в замене кабеля, идущего от корпуса электроприбора к контуру заземлителя, на кабель, имеющий большую токопроводимость.

Защита электроприборов

Для обеспечения необходимой защиты от поражения электрическим током применяются следующие защитные мероприятия:

• установка защитных ограждений;
• надежная изоляция всех токоведущих элементов;
• защитные оболочки;
• ограничение зоны досягаемости;
• по возможности, использование малого напряжения.

На случай пробоев и изоляции и утечки напряжения на корпус электрооборудования применяются такие методы защиты, как заземление, выравнивание потенциалов, дополнительная изоляция токоведущих частей оборудования. В некоторых случаях требуется установка изолирующих (непроводящих электричество) помещений.

В случаях, когда наряду с заземлением применяются другие меры защиты от поражения электрическим током, они не должны оказывать друг на друга негативного влияния и снижать эффективность защиты оборудования и персонала.

Применение естественных элементов заземления возможно только в том случае, если исключается возможность нанесения им какого-либо ущерба, вследствие протекания по ним электрического тока.

Требования к электробезопасности

Если различные виды электроустановок располагаются на смежной территории, следует использовать одно общее заземляющее устройство, отвечающее всем необходимым параметрам безопасности.

Заземляющее устройство, применяемое для защиты электрического оборудования имеющее одно или разное назначение, в обязательном порядке должно соответствовать правилам безопасности. Каждое требование, предъявляемое к устройству заземления электроустановок, должно соблюдаться.

Для соединения заземляющего контура различного электрического оборудования в одну общую заземляющую сеть, можно применять как естественные, так и искусственные заземляющие устройства.

Пиковое значение напряжения утечки и сопротивление заземляющей сети должно отвечать требованиям электробезопасности и обеспечивать надежную защиту при любых атмосферных явлениях, и в любое время года. При расчете сопротивления заземляющих устройств, следует учитывать параметры всех естественных и искусственных заземлителей.

Все элементы схемы заземления должны быть устойчивы к внешним механическим воздействиям, влиянию высокой температуры и любых атмосферных явлений.

Основные типы

Согласно ПУЭ (Правил Устройства Электроустановок) существуют система заземления ТN (включающая в себя группы TN-C, TN-S, TN-C-S), TT и IT. Латинские буквы в обозначении имеют следующее значение:

• Т – источник питания соединен с землей;
• S – размыкание осуществляется разными проводниками;
• N – нейтраль;
• C – размыкаются одним проводником;
• I – изолированная токоведущая часть.

Зная, что означает каждая буква обозначения, можно определить устройство и принцип работы заземляющего устройства, к которому подключается электрооборудование.

Система ТN

Наиболее часто встречающаяся система защитного заземления. Главной ее особенностью служит наличие заземленной «наглухо» нейтрали питающей сети. Иными словами, нулевой выход питающей сети напрямую соединен с заземляющим контуром.

TN-C – данная система заземления широко применялась при постройке старых жилых помещений, а в наше время не используется при строительстве домов, так как является устаревшей и не отвечает всем стандартам безопасности.

Такой вид заземления электроприборов применяется в трехфазных сетях с четырехжильным кабелем и однофазных сетях с кабелями имеющими две жилы.

Главным недостатком данного типа, является отсутствие в кабелях защитной жилы заземления.

TN-S – система, часто используется для подключения зданий к электрической сети. Имеет наивысшую степень защиты, среди всех систем заземления.

Нулевой и рабочий проводник, в этой системе, прокладываются отдельно друг от друга, при этом защитный проводник соединяется со всеми токоведущими частями зачищаемого оборудования.

TN-C-S – в этой системе, жила защитного проводника соединена с нейтральной рабочий жилой. Согласно правили электробезопасности, для системы TN-C-S требуется установка дополнительного заземления.

Система TT

Эта система широко применяется для обеспечения электробезопасности питающих подстанций и установок, имеющих отдельное заземляющее устройство. Часто используется для защиты отдельно стоящих помещений (гаражи, ларьки, ангары и другие сооружения).

Система IT

Источник питания в данной системе изолирован воздушной прослойкой или соединен элементом с большим сопротивлением, что позволяет существенно снизить ток утечки.

Система заземления типа IT наиболее часто применяется в медицинских заведениях и лабораториях, для обеспечения корректной работы высокоточных, чувствительных к скачкам напряжения приборов.

Конструкция

Нулевая шина с заземлением может размещаться как внутри вводного устройства (ВРУ), так и отдельно от него. В первом случае в качестве ГЗШ допускается использовать искусственно организованную шину РЕ, имеющую непосредственный электрический контакт с корпусом распределительного шкафа.

При размещении вне границ вводного устройства эта сборно-распределяющая конструкция должна находиться неподалёку от него (в удобном для обслуживания и доступном для специалистов месте).

Для ограничения доступа посторонних лиц открытые шины заземления могут укрываться в запирающемся на замок ящике, дверца которого помечается специальным знаком.

Согласно действующим нормативам (ПУЭ, в частности) ГЗШ должна изготавливаться в виде медной или стальной полосы, имеющей определённые размеры. При размещении вне шкафа и в нём они выбираются с учётом того, чтобы на шине уместилось требуемое количество контактных отверстий под болтовые соединения.

Для выпускаемых промышленностью типовых изделий ГЗШ ХХ-УХЛ4 ТВС, например, эти размеры строго нормируются и выбираются из следующего ряда: 3х30, 3х40, 4х40 миллиметров. При этом подходящую рейку выбирают исходя из нормированного количества отверстий под крепление проводников (10, 15 или 20).

Перечисленные выше размеры у разных производителей могут отличаться по своей величине, однако все они должны рассматриваться в качестве параметров ГЗШ, дополняющих уже приведённые ранее характеристики.

Обращаем особое внимание на тот факт, что применение алюминия для изготовления распределительных полос не допускается. Кроме того, при выборе изделия с заданными параметрами всегда следует иметь в виду, что габариты ГЗШ не могут быть менее чем сечение РЕ-шины, организуемой в границах ВРУ.

К этому нужно добавить, что конструкцией реек должна предусматриваться возможность подключения к ним дополнительных проводников с помощью подходящего инструмента (ключа под болтовое соединение, например).

При наличии в здании нескольких вводов линии питания, шина заземления обустраивается на каждом из них. Образующееся при этом соединение шин должно быть подключено к уравнителям потенциала.

И, наконец, при организации системы заземления не следует путать ГЗШ с РЕ-шиной, организуемой с целью получения повторного заземления на приёмной стороне. Хотя они и имеют электрический контакт, но назначение у них разное.

Можно ознакомиться с рисунком, на котором приводится внешний вид и обозначение ГЗШ.

В следующих разделах на конкретных примерах будут рассмотрены возможные места монтажа шины заземления с учётом удобства организации заземления и обслуживания всей системы в целом.

Функциональное заземление ПУЭ — Пожарная безопасность

При построении структурированных кабельных систем (СКС), сетей передачи данных и ЛВС, а также других объектов информационных технологий у многих специалистов-электриков закономерно возникают вопросы по проектированию заземления. Чтобы не было неопределенностей в этих вопросах введем базовые понятия и определения в этой сфере знаний.

В соответствии с международными и российскими нормативными документами имеются два больших класса заземлений: защитное и функциональное заземление. Также можно использовать терминологию (рабочее или информационное заземление).

Исходя из этих факторов, шины заземления или проводники, маркируются как PE — защитное заземление и FE — функциональное заземление.

Воспользуемся основным нормативным документом для инженера-электрика, а именно, «Правилами устройства электроустановок» ( ПУЭ п.1.7.29 ): Защитное заземление выполняется только в целях электробезопасности. При работе с любыми электроприборами персонал должен быть надежно защищен от токов низкой частоты и высокой амплитуды, которые представляют серьезную угрозу здоровью и жизни каждого человека.

А вот заземление, которое мы называем информационным (функциональным), обеспечивает именно работу самой электроустановки. То есть, такое заземление выполняется не в целях электробезопасности объекта. При разработке таких систем можно исходить из положений ПУЭ п. 1.7.30.

Проектировщику надо знать, что нельзя использовать только информационное заземление, без применения защитного. Работа функционального заземления идет с токами высокой частоты и низкой амплитуды и задача его обеспечить электромагнитную совместимость (ЭMC) и защитить от электромагнитных помех.

Токи ВЧ низкой амплитуды непосредственно не угрожают жизни человека, но могут влиять на качество связи, например в СКС.

При определении задач FE советуем руководствоваться ГОСТ Р 50571.22-2000 п. 3.14 (707.2), который как раз таки описывает как спроектировать заземление для систем обработки информации и связи.

Проектировщики, как правило, выставляют жесткие требования, при соблюдении которых на корпусе заземляемого устройства не должно быть даже самого маленького электрического потенциала. Именно это условие и есть залог нормального функционирования оборудования связи или информационных технологий.

Как выполнить функциональное заземление на объекте?

Для этой цели необходимо использовать заземляющее устройство функционального заземления вместе с функциональными проводниками, которые служат для соединения электроприемников с главной заземляющей шиной. При этом, согласно ГОСТ 50.571-4-44-2011 п. 444.5.1.

все проводники защитного и функционального заземления должны быть соединены с этой шиной, а заземлители соответствующего назначения соединены между собой.

Такие меры необходимы для исключения их влияния друг на друга, которое приводит к опасному повышению напряжения, риску повреждения оборудования и опасности поражения электрическим током. Если следовать положениям ГОСТ Р 50571.21-2000 п. 548.3.

1, то можно реализовать такое схемное решение: объединяем функциональные и защитный проводники (соответственно FE и PE) в специальный проводник (PEF-проводник). А уж затем присоединим его к ГЗШ, так называемой, главной заземляющей шине электроустановки.

В TN-S системе для функционального заземления разрешается использовать PE-проводник цепи питания оборудования обработки информации.

Требования к информационному заземлению

FE-заземление обычно описывается требованиями, которые излагаются в эксплуатационной документации изготовителя изделия (паспорт, технические условия, технический регламент и пр.) или в ведомственных нормативных документах.

К примеру, для продуктов и систем информационно-коммуникационных технологий (ИКТ), ранее средств ВТИ, будем использовать положения нормативного документа СН 512-78 («Технические требования к зданиям и помещениям для установки средств вычислительной техники»). Опираясь на инструкции, изложенные там, приходим к выводам, что сопротивление заземления такого оборудования не должно превышать 1 Ом.

А вот если мы проектируем заземление для чувствительных медицинских приборов, то это значение будет не более 2-х Ом. («Пособие по проектированию учреждений здравоохранения к СНиП 2.08.02-89»). Здесь используется, так называемая «лучевая схема заземления», с заземлителем типа FE (низкоомным), что приводит к работе без электрических помех всего комплекса ИКТ.

В отдельных случаях так же возможно использовать и модульный глубинный заземлитель. Введем понятие электромагнитной совместимости (ЭМС) оборудования и для этого обратимся к ГОСТ Р 50397-92 (МЭК-50-161-90).

ЭМС оборудования, рассматривается в общем случае, как способность оборудования качественно работать в условиях заданной электромагнитной обстановки и не создавать недопустимых помех электромагнитной природы другим приборам и электросети. И далее с этих позиций попытаемся выяснить причинно – следственную связь между FE – заземлением, ЭМС и безопасностью ИКТ.

Гальваническая развязка

Гальваническая развязка решает много проблем заземления, и её применение фактически стало стандартом в АСУ ТП. Для осуществления гальванической развязки (изоляции) необходимо выполнить подачу энергии развязывающим трансформатором и передачу сигнала в изолированную часть цепи через оптроны и трансформаторы, элементы с магнитной связью, конденсаторы или оптоволокно. В электрической цепи полностью устраняется путь, по которому возможна передача кондуктивной помехи.

В АСУТП заземление для гальванически связанных цепей сильно отличается от заземления развязанных цепей.

Заземление гальванически связанных цепей

Мы рекомендуем избегать применения гальванически связанных цепей, а если другого варианта нет, то желательно, чтобы размер этих цепей был по возможности малым и чтобы они располагались в пределах одного шкафа.

Пример неправильного заземления источника и приёмника стандартного сигнала 0…5 В

Здесь допущены следующие ошибки:

• ток мощной нагрузки (двигателя постоянного тока) протекает по той же шине заземления, что и сигнал, создавая падение напряжения земли;
• использовано однополярное включение приёмника сигнала, а не дифференциальное;
• использован модуль ввода без гальванической развязки цифровой и аналоговой частей, поэтому ток питания цифровой части, содержащий помеху, протекает через вывод AGND и создаёт дополнительное падение напряжения помехи на сопротивлении R1

Перечисленные ошибки приводят к тому, что напряжение на входе приёмника Vвх равно сумме напряжения сигала Vвых и напряжения помехи VЗемли= R1· (Iпит + IМ)Для устранения этого недостатка в качестве проводника заземления можно использовать медную шину большого сечения, однако лучше выполнить заземление так, как показано ниже.

• все цепи заземления соединить в одной точке (при этом ток помехи IМ уже не протекает через сопротивление R1);
• проводник заземления приёмника сигнала присоединить к той же общей точке (при этом ток Iпит уже не протекает через сопротивление R1, а падение напряжения на сопротивлении проводника R2 не складывается с выходным напряжением источника сигнала Vвых)

Пример правильного заземления источника и приёмника стандартного сигнала 0…5 В

Общим правилом ослабления связи через общий провод заземления является деление земель на аналоговую, цифровую, силовую и защитную с последующим их соединением только в одной точке.

При разделении заземлений гальванически связанных цепей используется общий принцип: цепи заземления с большим уровнем шума должны выполняться отдельно от цепей с малым уровнем шума, а соединяться они должны только в одной общей точке. Точек заземления может быть несколько, если топология такой цепи не приводит к появлению участков «грязной» земли в контуре, включающем источник и приёмник сигнала, а также если в цепи заземления не образуются замкнутые контуры, принимающие электромагнитные помехи.

Заземление гальванически развязанных цепей

Радикальным решением описанных проблем является применение гальванической изоляции с раздельным заземлением цифровой, аналоговой и силовой частей системы.

Силовая часть обычно заземляется через шину защитного заземления. Применение гальванической изоляции позволяет разделить аналоговую и цифровую землю, а это, в свою очередь, исключает протекание по аналоговой земле токов помехи от силовой и цифровой земли. Аналоговая земля может быть соединена с защитным заземлением через сопротивление RAGND.

Заземление экранов сигнальных кабелей в АСУ ТП

Пример неправильного (с двух сторон) заземления экрана кабеля на низких частотах, если частота помехи не превышает 1 МГц, то кабель надо заземлять с одной стороны, в противном случае образуется замкнутый контур, который будет работать как антенна.

Пример неправильного (со стороны приёмника сигнала) заземления экрана кабеля. Оплётку кабеля надо заземлять со стороны источника сигнала. Если заземление сделать со стороны приёмника, то ток помехи будет протекать через ёмкость между жилами кабеля, создавая на ней и, следовательно, между дифференциальными входами напряжение помехи.

Поэтому заземлять оплётку надо со стороны источника сигнала, в этом случае путь для прохождения тока помехи отсутствует.

Правильное заземление экрана (дополнительное заземление справа используется для случая высокочастотного сигнала). Если источник сигнала не заземлён (например, термопара), то заземлять экран можно с любой стороны, так как в этом случае замкнутый контур для тока помехи не образуется.

На частотах более 1 МГц увеличивается индуктивное сопротивление экрана, и токи ёмкостной наводки создают на нём большое падение напряжения, которое может передаваться на внутренние жилы через ёмкость между оплёткой и жилами. Кроме того, при длине кабеля, сравнимой с длиной волны помехи (длина волны помехи на частоте 1 МГц равна 300 м, на частоте 10 МГц – 30 м), возрастает сопротивление оплётки, что резко повышает напряжение помехи на оплётке. Поэтому на высоких частотах оплётку кабеля надо заземлять не только с обеих сторон, но и в нескольких точках между ними.

Эти точки выбирают на расстоянии 1/10 длины волны помехи одна от другой. При этом по оплётке кабеля будет протекать часть тока IЗемли, передающего помеху в центральную жилу через взаимную индуктивность.

Ёмкостный ток также будет протекать по пути, показанному на рис. 21, однако высокочастотная составляющая помехи будет ослаблена. Выбор количества точек заземления кабеля зависит от разницы напряжений помехи на концах экрана, частоты помехи, требований к защите от ударов молнии или от величины токов, протекающих через экран в случае его заземления.

В качестве промежуточного варианта можно использовать второе заземление экрана через ёмкость. При этом по высокой частоте экран получается заземлённым с двух сторон, по низкой частоте – с одной. Это имеет смысл в том случае, когда частота помехи превышает 1 МГц, а длина кабеля в 10…20 раз меньше длины волны помехи, то есть когда ещё не нужно выполнять заземление в нескольких промежуточных точках.

Внутренний экран заземляют с одной стороны — со стороны источника сигнала, чтобы исключить прохождение ёмкостной помехи по пути, показанному, а внешний экран уменьшает высокочастотные наводки. Во всех случаях экран должен быть изолирован, чтобы предотвратить его случайные контакты с металлическими предметами и землёй. Для передачи сигнала на большое расстояние или при повышенных требованиях к точности измерений нужно передавать сигнал в цифровой форме или ещё лучше через оптический кабель.

Заземление экранов кабелей систем автоматизации на электрических подстанциях

На электрических подстанциях на оплётке (экране) сигнального кабеля системы автоматизации, проложенного под высоковольтными проводами на уровне земли и заземлённого с одной стороны, может наводиться напряжение величиной в сотни вольт во время коммутации тока выключателем. Поэтому с целью электробезопасности оплётку кабеля заземляют с двух сторон. Для защиты от электромагнитных полей с частотой 50 Гц экран кабеля также заземляют с обеих сторон. Это оправданно в случаях, когда известно, что электромагнитная наводка с частотой 50 Гц больше, чем наводка, вызванная протеканием выравнивающего тока через оплётку.

Заземление экранов кабелей для защиты от молнии

Для защиты от магнитного поля молнии сигнальные кабели (с заземленным экраном) АСУ ТП, проходящие по открытой местности, должны быть проложены в металлических трубах из стали, так называемого магнитного экрана. Лучше под землей, иначе заземлять каждые 3 метра. Магнитное поле слабо влияет внутри здания из ж-бетона, в отличие от других материалов.

Заземление при дифференциальных измерениях

Если источник сигнала не имеет сопротивления на землю, то при дифференциальном измерении образуется «плавающий» вход. На «плавающем» входе может наводиться статический заряд от атмосферного электричества или входного тока утечки операционного усилителя. Для отвода заряда и тока на землю потенциальные входы модулей аналогового ввода обычно содержат внутри себя резисторы сопротивлением от 1 до 20 МОм, соединяющие аналоговые входы с землёй. Однако при большом уровне помех или большом импедансе источника сигнала даже сопротивление 20 МОм может оказаться недостаточным и тогда необходимо дополнительно использовать внешние резисторы номиналом от десятков кОм до 1 МОм или конденсаторы с таким же сопротивлением на частоте помехи.

Заземление интеллектуальных датчиков

Ныне широкое распространены так называемые интеллектуальные датчики с микроконтроллером внутри для линеаризации выхода с датчика, выдающие сигнал в цифровой или аналоговой форме. Вследствие того, что цифровая часть датчика совмещена с аналоговой, при неправильном заземлении выходной сигнал имеет повышенный уровень шума. Некоторые датчики имеют ЦАП с токовым выходом и поэтому требуют подключения внешнего сопротивления нагрузки порядка 20 кОм, поэтому полезный сигнал в них получается в форме напряжения, падающего на нагрузочном резисторе при протекании выходного тока датчика.

Неправильное заземление интеллектуальных датчиков:

Напряжение на нагрузке равно:

Vнагр = Vout – Iнагр · R1+ I2· R2,

то есть оно зависит от тока I2, который включает в себя ток цифровой земли. Ток цифровой земли содержит помеху и влияет на напряжение на нагрузке. Чтобы устранить этот эффект, цепи заземления надо выполнить так, как показано ниже. Тут ток цифровой земли не идет через сопротивление R21 и не вносит шум в сигнал на нагрузке.

Правильное заземление интеллектуальных датчиков:

Заземление шкафов с аппаратурой систем автоматизации

Монтаж шкафов АСУ ТП должен учитывать всю ранее изложенную информацию. Изложенные далее примеры заземления шкафов автоматики разделены условно на правильные, дающие меньший уровень шумов, и ошибочные.

Вот пример (красным цветом выделены неправильные соединения; GND — вывод для подключения заземлённого вывода питания), в котором каждое отличие от следующего рисунка ухудшает вероятность сбоев цифровой части и повышает погрешность аналоговой. Здесь сделаны следующие «неправильные» соединения:

• заземление шкафов выполнено в разных точках, поэтому потенциалы их земель отличаются;
• шкафы соединены между собой, что создаёт замкнутый контур в цепи заземления;
• проводники аналоговой и цифровой земель в левом шкафу на большом участке идут параллельно, поэтому на аналоговой земле могут появиться индуктивные и ёмкостные наводки от цифровой земли;
• вывод GND блока питания соединён с корпусом шкафа в ближайшей точке, а не на клемме заземления, поэтому по корпусу шкафа течёт ток помехи, проникающий через трансформатор блока питания;
• используется один блок питания на два шкафа, что увеличивает длину и индуктивность проводника заземления;
• в правом шкафу выводы земли подсоединены не к клемме заземления, а непосредственно к корпусу шкафа, при этом корпус шкафа становится источником индуктивной наводки на все провода, проходящие вдоль его стен;
• в правом шкафу в среднем ряду аналоговая и цифровая земли соединены прямо на выходе блоков.

Перечисленные недостатки устранены на примере правильного заземления шкафов системы промышленной автоматизации:

Доп. плюсом разводки в этом примере было бы применение отдельного проводника заземления для наиболее чувствительных аналоговых модулей ввода. В пределах шкафа (стойки) желательно группировать аналоговые модули отдельно, цифровые – отдельно, чтобы при прокладке проводов в кабельном канале уменьшить длину участков параллельного прохождения цепей цифровой и аналоговой земель.

Заземление во взаимоудаленных системах управления

В системах управления, распределённых по некоторой территории с характерными размерами в десятки и сотни метров, нельзя использовать модули ввода без гальванической развязки. Только гальваническая развязка позволяет соединять цепи, заземлённые в точках с разными потенциалами. Наилучшим решением для передачи сигналов является оптоволокно и применение датчиков со встроенными в них АЦП и цифровым интерфейсом.

Заземление исполнительного оборудования и приводов АСУ ТП

Цепи питания двигателей с импульсным управлением, двигателей сервоприводов, исполнительных устройств с ШИМ управлением должны быть выполнены витой парой для уменьшения магнитного поля, а также экранированы для снижения электрической составляющей излучаемой помехи. Экран кабеля должен быть заземлён с одной стороны. Цепи подключения датчиков таких систем должны быть помещены в отдельный экран и по возможности пространственно отдалены от исполнительных устройств.

Заземление в промышленных сетях RS-485, Modbus

Промышленная сеть на основе интерфейса RS-485 выполняется экранированной витой парой с обязательным применением модулей гальванической развязки.

Для коротких отрезков (порядка 15 м) и при отсутствии поблизости источников шумов экран можно не использовать. На больших длинах порядка до 1,2км разница потенциалов земли в удалённых друг от друга точках может достигать нескольких десятков вольт. Чтобы предотвратить протекание по экрану тока, экран кабеля нужно заземлять только в ЛЮБОЙ одной точке. При использовании не экранированного кабеля на нём может наводиться большой статический заряд (несколько киловольт) за счёт атмосферного электричества, который способен вывести из строя элементы гальванической развязки. Для предотвращения этого эффекта изолированную часть устройства гальванической развязки следует заземлить через сопротивление, например 0,1…1 МОм. Сопротивление, показанное штриховой линией, снижает также вероятность пробоя при повреждениях заземления или большом сопротивлении гальванической изоляции в случае применения экранированного кабеля. В сетях Ethernet с малой пропускной способностью (10 Mбит/с) заземление экрана следует выполнять только в одной точке. В Fast Ethernet (100 Мбит/с) и Gigabit Ethernet (1 Гбит/с) заземление экрана следует выполнять в нескольких точках.

Заземление на взрывоопасных промышленных объектах

На взрывоопасных объектах при монтаже заземления многожильным проводом не допускается применение пайки для спаивания жил между собой, поскольку вследствие хладотекучести припоя возможно ослабление мест контактного давления в винтовых зажимах.

Экран кабеля интерфейса RS-485 заземляется в одной точке вне взрывоопасной зоны. В пределах взрывоопасной зоны он должен быть защищён от случайного соприкосновения с заземлёнными проводниками. Искробезопасные цепи не должны заземляться, если этого не требуют условия работы электрооборудования (ГОСТ Р 51330.10, п6.3.5.2). И должны быть смонтированы таким образом, чтобы наводки от внешних электромагнитных полей (например, от расположенного на крыше здания радиопередатчика, от воздушных линий электропередачи или близлежащих кабелей для передачи большой мощности) не создавали опасного напряжения или тока в искробезопасных цепях. Это может быть достигнуто экранированием или удалением искробезопасных цепей от источника электромагнитной наводки.

При прокладке в общем пучке или канале кабели с искроопасными и искробезопасными цепями должны быть разделены промежуточным слоем изоляционного материала или заземлённой металлической перегородкой. Никакого разделения не требуется, если используются кабели с металлической оболочкой или экраном. Заземлённые металлические конструкции не должны иметь разрывов и плохих контактов между собой, которые могут искрить во время грозы или при коммутации мощного оборудования. На взрывоопасных промышленных объектах используются преимущественно электрические распределительные сети с изолированной нейтралью, чтобы исключить возможность появления искры при коротком замыкании фазы на землю и срабатывания предохранителей защиты при повреждении изоляции. Для защиты от статического электричества используют заземление, описанное в соответствующем разделе. Статическое электричество может быть причиной воспламенения взрывоопасной смеси.

Информационное заземление

При построении структурированных кабельных систем (СКС), сетей передачи данных и ЛВС, а также других объектов информационных технологий у многих специалистов-электриков закономерно возникают вопросы по проектированию заземления. Чтобы не было неопределенностей в этих вопросах введем базовые понятия и определения в этой сфере знаний. В соответствии с международными и российскими нормативными документами имеются два больших класса заземлений: защитное и функциональное заземление.

Также можно использовать терминологию (рабочее или информационное заземление). Исходя из этих факторов, шины заземления или проводники, маркируются как PE — защитное заземление и FE — функциональное заземление.

Воспользуемся основным нормативным документом для инженера-электрика, а именно, «Правилами устройства электроустановок» ( ПУЭ п.1.7.29 ): Защитное заземление выполняется только в целях электробезопасности.

При работе с любыми электроприборами персонал должен быть надежно защищен от токов низкой частоты и высокой амплитуды, которые представляют серьезную угрозу здоровью и жизни каждого человека.

Заземление электроустановок

Заземление электроустановок – обязательная составляющая комплекса мер по защите промышленного оборудования и работающих на нем людей от поражения током. С учетом существующего разнообразия электротехнических приборов и агрегатов вопросам их безопасной эксплуатации уделяется повышенное внимание. Каждый тип заземляемого оборудования имеет свои особенности, вынуждающие пользователей сетей принимать специальные защитные меры. В соответствие с правилами заземления электроустановок и их устройством для этих целей применяются особым образом организованные системы защиты.

Классификация систем заземления

Общепринятая классификация систем заземления осуществляется по следующим основным признакам:

• Состояние нейтрали электросети (заземленное или изолированное).
• Способ ее прокладки от подстанции с понижающим трансформатором до конечной электроустановки потребителя.
• Особенности подключения нагрузки к нейтральной жиле.

Основным документом, согласно которому производится классификация этих систем, являются ПУЭ (правила устройства электроустановок). В них подробно рассматриваются характерные признаки, согласно которым принято различать действующие защитные системы. Для их обозначения применяются английские буквенные символы T, N, I, C и S, которые расшифровываются как «заземление», «нейтраль», «изолированное», «общая» и «раздельная».

Обратите внимание: По данной маркировке удается определить, какой способ защиты источника тока применен в данной системе и какие схемы защитного заземления оборудования могут быть использованы на потребительской стороне.

При обустройстве действующих линий энергоснабжения в России традиционно применяются следующие основные системы:

• TN-C, из обозначения которой следует, что на всем протяжении трассы нулевой рабочий N и защитный PE проводники объединены в общую шину PEN (C – это «common»).
• TN-S, означающая раздельную прокладку упоминавшихся выше проводников («Select»).
• TN-C-S, из названия которой следует, что на части трассы проводники PE и N объединены, а начиная с какого-то места они прокладываются раздельно.

На практике также встречаются редко используемые системы TT и IT, применяемые только в исключительных случаях. Такой уникальный способ построения заземляющей структуры как система с изолированным нулем, например, востребован при электроснабжении сооружений, где необходимо обеспечить высокий уровень безопасности. В частности, это касается электрооборудования, устанавливаемого на горнодобывающих шахтных предприятиях. Объясняется это тем, что при подземных работах нередки случаи скопления взрывоопасных газов, а система IT, особенностью которой является пониженное искрообразование, в этом случае является самой безопасной.

Требования к заземлению электроустановок до 1000 Вольт

Заземление оборудования – это комплекс технических мероприятий, позволяющих получить надежное электрическое соединение между защищаемыми корпусами электроустановок и землей. Оно организуется с целью защиты оперативного персонала и работающих на оборудовании людей от случайного токового удара.

В соответствии с требованиями ГОСТ 12.1.030-81 защитное заземление электроустановки следует выполнять:

• при номинальном напряжении 380 В и выше переменного тока и 440 В и выше постоянного тока – во всех случаях;
• при номинальном напряжении от 42 В до 380 В переменного тока и от 110 В до 440 В постоянного тока при работах в условиях с повышенной опасностью и особо опасных по ГОСТ 12.1.013-78.

Важно! При правильно обустроенной системе заземления попавший на корпус станка, например, опасный потенциал не причинит прикоснувшемуся к нему человеку никакого вреда.

Объясняется это тем, что, при пробое изоляции основная часть токового заряда стечет по заземляющей шине в защитный контур, сопротивление которого на порядок ниже, чем тот же показатель для тела человека.

Естественные заземлители

Согласно правилам ПУЭ, корпуса технологического оборудования и других приборов должны подключаться к естественным или искусственным заземлителям (ИЗУ). При реализации первого из этих способов традиционно используются следующие подсобные элементы:

• металлические каркасы проложенных в земле конструкций, имеющие прямой контакт с ней;
• металлические кожуха кабелей, прокладываемых непосредственно в грунте;
• обычные металлические трубы (за исключением газовых и нефтепроводов);
• рельсы железнодорожных путей.

Обратите внимание: Использование готовых конструкций существенно упрощает решение проблемы заземления, упрощая этот процесс.

Кроме того, их использование при организации эффективного заземления позволяет несколько снизить затраты на его обустройство.

Важность сопротивления стеканию току

Основное требование к заземлениям до 1000 Вольт – их способность создать надежную цепочку для стекания аварийных токовых зарядов в грунт. Ее оценивают величиной сопротивления, которое приходится преодолевать токам замыкания на землю.

Согласно нормативным документам (ПУЭ, в частности) сопротивление заземления (сопротивление растеканию электрического тока) должно быть:

• в частных домах с напряжением питания 220 и 380 Вольт, должно составлять не более 30-ти Ом.
• для промышленного оборудования (трансформаторов подстанций, в частности, или генераторов и сварочных аппаратов) не должен превышать 4-х Ом.
• в отношении источника тока (генератора или трансформатора) не более 2, 4 и 8 Ом соответственно, при междуфазных напряжениях 660, 380 и 220 В трехфазного источника питания или 380, 220 и 127 В однофазного источника питания.

Чтобы достигнуть нормируемых ПУЭ значений сопротивления, потребуется принять специальные меры. Обычно они сводятся к следующим типовым процедурам:

1. увеличение площади соприкосновения составляющих устройств заземления с грунтом;
2. повышение качества контактов в местах сочленения отдельных элементов и медных соединительных шин;
3. улучшение проводимости самой почвы (за счет постоянного увлажнения или добавления соляного раствора, например).

Теми же требованиями предписывается периодически (не реже одного раза в 6 лет) проверять сопротивление заземляющего контура на соответствие его величины утвержденным нормам.

Работа заземления при нарушении защитной изоляции токоведущих частей

Самая распространенная неисправность, встречающаяся при эксплуатации электрооборудования – замыкание фазы на металлический корпус из-за разрушения защитной изоляции.

Дополнительная информация: В современных бытовых приборах, оснащенных импульсными источниками питания с вилкой евро стандарта, опасный потенциал может постоянно присутствовать на металлическом корпусе.

В зависимости от того, какие защитные меры приняты при работе с оборудованием, возможны следующие степени безопасности пользователя:

1. Самый опасный вариант – когда металлический корпус прибора не заземлен, а УЗО совсем не установлено. Попадание фазы на проводящие ток части никак не проявляется, кроме как ощутимый удар при случайном прикосновении.
2. В отсутствие УЗО корпус подключен к контуру установленного заземления, а ток утечки по цепи стекания очень велик. В этом случае прибор сработает мгновенно и отключает питающую линию или отдельную ее цепочку.
3. При наличии УЗО корпус не заземлен, что обнаруживается только при протекании тока утечки, который вызовет срабатывание устройства защиты. За время порядка 200-300 миллисекунд прикоснувшийся к прибору человек ощутит лишь легкий удар током.
4. И, наконец, самый безопасный вариант предполагает заземление корпуса и одновременную установку в данную ветку отдельного УЗО.

О первом случае, связанном с отсутствием специальных защитных средств, нечего и говорить, а вот второй вариант не совсем безопасен. Это объясняется тем, что при большом сопротивлении переходов и значительных номиналах предохранителей остаточный потенциал на корпусе прибора очень опасен для работающего человека. Так, при сопротивлении заземляющей конструкции в 4 Ома и предохранителе номиналом 25 Ампер он может достигнуть 100 Вольт.

Важно! В последнем случае два защитных устройства дополняют друг друга и нивелируют возможные неполадки в одном из них.

При попадании фазы на корпус, а через него – на заземляющий проводник ток благополучно стекает в землю. Одновременно с этим УЗО мгновенно реагирует на утечку и отключает линию и электроустановку, исключая возможность поражения работающего на ней персонала.

Помимо этого, если ток утечки существенно превышает порог срабатывания установленного в цепи предохранителя – может сработать и сам защитный элемент, дублируя действие УЗО. Какой из этих двух приборов отключит цепь первым – зависит от их быстродействия и величины тока стекания на землю (при этом не исключается их одновременное срабатывание).

Защита станков и электрооборудования в цехах

В соответствие с действующими правилами ПУЭ различные виды заземлений в электроустановках до 1000 Вольт отличают по принадлежности их к той или иной системе. А по типу заземляемых устройств различают следующие варианты:

• Защита типового станочного оборудования.
• Заземление электродвигателей и сварочных аппаратов.
• Защита передвижных установок и эксплуатируемых электроприборов.

В этом разделе рассматривается первый пункт из перечня, касающийся станков и другого оборудования, устанавливаемого в заводских цехах.

Хорошо известно, что при работе на станочном оборудовании риск случайного попадания фазы на корпус достаточно велик. Чтобы правильно заземлить станок в цеху – потребуется разобраться со следующими моментами:

1. Где проложен заземляющий контур в рабочей зоне.
2. Какой толщины должна выбираться шина, применяемая для соединения корпуса станка с защитным контуром.
3. В каком месте накладывается стационарное заземление.
4. Какие заграждающие приспособления допускается использовать для ограничения доступа к опасным частям оборудования.

Рассмотрением всех этих вопросов должен заниматься цеховой электрик, который знаком с расположением элементов заземляющего хозяйства и полностью владеет информацией по порядку подсоединения корпуса станка к ЗУ. Он должен знать, в частности, что для заземления электрооборудования в его конструкции предусмотрена специальная точка, к которой подсоединяется заземляющая шина.

Правила заземления электродвигателя

Согласно действующим нормативам электродвигатели также подлежат обязательному защитному заземлению.

Обратите внимание: Исключением из этого требования является ситуация, когда корпус электродвигателя располагается на металлическом пьедестале, непосредственно связанном с грунтом.

Во всех остальных случаях его обязательно нужно будет соединить специальной медной жилой с заземляющим контуром (фото ниже).

В ПУЭ особо отмечается, что такое соединение должен иметь каждый электродвигатель, независимо от их количества в данном электрохозяйстве.

Последовательное подключение нескольких агрегатов в заземляющую цепочку категорически запрещено (в этом случае при обрыве линии в одном месте заземления лишаются все двигатели).

Заземление сварочных аппаратов

При работе со сварочным оборудованием заземление его корпуса согласно требованиям ПУЭ также обязательно. Помимо этой части электрического агрегата заземляться должен один из выводов трансформаторной вторичной обмотки (к другой клемме подсоединяется держатель электродов). Заземляемый вывод на корпусе обозначается соответствующим значком и оснащается приспособлением, надежно фиксирующим протянутую от защитного контура шину.

Величина переходного сопротивления защитного контура или ЗУ для сварочного оборудования не должна превышать 10-ти Ом. Если потребуется повысить электропроводимость заземляющей конструкции – увеличивают контактную площадь всех соединений, включая поверхность соприкосновения с землей.

Как и в случае с рассмотренными ранее электродвигателями последовательное включение сварочных аппаратов в заземляющую цепочку запрещено.

Защита передвижных установок

Все, что было рассмотрено ранее, традиционно относится к обычному стационарному оборудованию. Иной подход наблюдается при необходимости заземления передвижных электроустановок, для которых выполнение требований по переходному сопротивлению несколько затруднено. В связи с этим ПУЭ допускают повышение его величины до предельного значения, равного 25-ти Омам.

Обратите внимание: В отдельных случаях допускается в качестве заземления для передвижек применять имеющиеся на объекте стационарные ЗУ.

Последнее требование справедливо лишь для установок с автономным питанием, имеющим изолированную от земли нейтраль (в качестве примера может быть приведено ГРПШ).

Этот вид заземляющих устройств традиционно применяется для тех образцов оборудования, которые не являются источниками питания для остальных установок и не склонны к искрообразованию. Другая область их применения – передвижные агрегаты, оснащенные собственными стационарными заземлителями, не используемыми в данный момент. Передвижные установки с автономным питанием из-за возможного образования трущихся сочленений и изолированной от земли нейтрали подлежат регулярному освидетельствованию в части состояния защитной оболочки (изоляционного покрытия).

Защита электроприборов

Для обеспечения требуемого уровня защиты при работе с электрическими приборами различного типа возможны следующие защитные меры:

1. надежная защита открытых для общего доступа токоведущих частей;
2. усиление защитной изоляции методом ее наращивания;
3. ограничение доступности к корпусам оборудования.

Кроме того, для этих целей могут применяться пониженные напряжения (если это позволяют особенности конструкции).

Чтобы избежать нежелательных пробоев изоляции и попадания опасного напряжения на корпуса электроприборов используются следующие «классические» методы:

В отдельных случаях ограничение проявляется в том, что такие образцы электроаппаратуры не допускается эксплуатировать в особо опасных помещениях (влажных или с сильным запылением). Если наряду с заземлением применяются другие способы защиты работающих с приборами людей – они не должны взаимно исключать друг друга. Другими словами их действие не должно снижать эффективность уже имеющейся и работающей в этом месте защиты.

Применение элементов естественных заземлителей допускается только в ситуациях, когда исключена вероятность нанесения подземным конструкциям ощутимого ущерба, связанного с протеканием по ним аварийного тока.

Заземление и зануление

Для защиты человека от удара током в особо опасных условиях эксплуатации нередко используется принцип одновременного заземления и зануления электроустановок. Всем, кто не знаком со вторым понятием, следует знать, что зануление электроустановок – это умышленное соединение их корпусов с нейтралью подводящей силовой линии. Понять принцип его действия поможет ознакомление с тем, как реализуется это способ защиты на практике.

Суть зануления состоит в превращении случайного попадания сетевого напряжения на корпус установки (из-за повреждения изоляции, например) в однофазное короткое замыкание. Отсюда следует, что и рассматриваемое нами заземление и зануление, как системы, выполняют функцию защиты от поражения электрическим током. Но делают они это каждая по-своему (смотрите фото ниже).

В одном случае (при заземлении) для получения цепочки стекания тока пробоя применяется отдельное заземляющее устройство, снижающее потенциал на корпусе прибора до безопасного уровня. Для «срабатывания» системы зануления тот же корпус электрически соединяется с нейтралью питающей сети.

Токопроводящие части электроустановок подлежат заземлению или занулению во всех случаях, когда защищаемое оборудование работает в помещениях повышенной опасности (с большой запыленностью и высоким уровнем влажности). Специалистам, занимающимся вопросами его защиты важно четко представлять себе отличие этих двух понятий. Кроме того им потребуется хорошо разбираться в том как правильно сделать контур заземления для данного образца оборудования.

Периодичность проверки

Для проверки текущего состояния ЗУ согласно требованиям ПУЭ проводятся периодические испытания заземляющих контуров. Они позволяют убедиться в соответствии их параметров (сопротивления стеканию тока, в частности) установленным нормативам.

Дополнительная информация: Для контроля текущего состояния ЗУ используются специальные измерительные приборы, подключаемые к нему по особым схемам.

В ПУЭ также оговаривается, что периодичность проверки (испытаний) действующих систем зависит от класса самого проводимого обследования. Так, визуальные осмотры заземляющих конструкций должны проводиться не реже одного раз в полгода. Если та же процедура сопровождается выборочным вскрытием почвы в вызывающих подозрения местах – проверки проводятся не реже раза в 12 лет. Нормы и сроки проверок для различных конструкций заземляющих устройств могут несколько отличаться от рассмотренных показателей (смотрите монографию Р. Н. Карякина под тем же названием).

В заключение отметим, что после ознакомления с предложенным материалом заинтересованный пользователь сможет четко представить себе, для чего нужно заземление и как оно обустраивается. Знание всех тонкостей этого вопроса поможет ему уберечь себя и своих близких от опасности поражения электрическим током. Кроме того, умение разбираться в них обеспечит сохранность эксплуатируемого на объекте электрооборудования.

Нажмите, пожалуйста, на одну из кнопок, чтобы узнать помогла статья или нет.

Источник https://molotok34.ru/osnovy/informacionnoe-zazemlenie.html

Источник https://int43.ru/bezopasnost/funkcionalnoe-zazemlenie-trebovaniya.html

Источник https://fishkielektrika.ru/zazemlenie-elektroustanovok