Заземление. Что это такое и как его сделать (часть 1)

Содержание

Заземление. Что это такое и как его сделать (часть 1)

В первой части (теория) я опишу терминологию, основные виды заземления (назначение) и предъявляемые к заземлению требования.
Во второй части (практика) будет рассказ про традиционные решения, применяемые при строительстве заземляющих устройств, с перечислением достоинств и недостатков этих решений.
Третья часть (практика) в некотором смысле продолжит вторую. В ней будет содержаться описание новых технологий, используемых при строительстве заземляющих устройств. Как и во второй части, с перечислением достоинств и недостатков этих технологий.

Если читатель обладает теоретическими знаниями и интересуется только практической реализацией — ему лучше пропустить первую часть и начать чтение со второй части.

Если читатель обладает необходимыми знаниями и хочет познакомиться только с новинками — лучше пропустить первые две части и сразу перейти к чтению третьей.

Мой взгляд на описанные методы и решения в какой-то степени однобокий. Прошу читателя понимать, что я не выдвигаю свой материал за всеобъемлющий объективный труд и выражаю в нём свою точку зрения, свой опыт.

Некоторая часть текста является компромиссом между точностью и желанием объяснить “человеческим языком”, поэтому допущены упрощения, могущие “резать слух” технически подкованного читателя.

1 часть. Заземление

В этой части я расскажу о терминологии, об основных видах заземления и о качественных характеристиках заземляющих устройств.

А. Термины и определения
Б. Назначение (виды) заземления

Б1. Рабочее (функциональное) заземление
Б2. Защитное заземление
Б2.1. Заземление в составе внешней молниезащиты
Б2.2. Заземление в составе системы защиты от перенапряжения (УЗИП)
Б2.3. Заземление в составе электросети

В. Качество заземления. Сопротивление заземления.

В1. Факторы, влияющие на качество заземления
В1.1. Площадь контакта заземлителя с грунтом
В1.2. Электрическое сопротивление грунта (удельное)
В2. Существующие нормы сопротивления заземления
В3. Расчёт сопротивления заземления

А. Термины и определения

Это устройство/ схема, состоящее из заземлителя и заземляющего проводника, соединяющего этот заземлитель с заземляемой частью сети, электроустановки или оборудования. Может быть распределенным, т.е. состоять из нескольких взаимно удаленных заземлителей.

На рисунке оно показано толстыми красными линиями:

Заземлитель — проводящая часть или совокупность соединенных между собой проводящих частей, находящихся в электрическом контакте с грунтом (ПУЭ 1.7.15).

Проводящая часть — это металлический (токопроводящий) элемент/ электрод любого профиля и конструкции (штырь, труба, полоса, пластина, сетка, ведро 🙂 и т.п.), находящийся в грунте и через который в него “стекает” электрический ток от электроустановки.
Конфигурация заземлителя (количество, длина, расположение электродов) зависит от требований, предъявляемых к нему, и способности грунта “впитывать” в себя электрический ток идущий/ “стекающий” от электроустановки через эти электроды.

На рисунке он показан толстыми красными линиями:

Сопротивление заземления — отношение напряжения на заземляющем устройстве к току, стекающему с заземлителя в землю (ПУЭ 1.7.26).

Заземляющий электрод (электрод заземлителя) — проводящая часть, находящаяся в электрическом контакте с локальной землей (ГОСТ Р 50571.21-2000 п. 3.21)

Повторюсь: в качестве проводящей части может выступать металлический (токопроводящий) элемент любого профиля и конструкции (штырь, труба, полоса, пластина, сетка, ведро 🙂 и т.п.), находящийся в грунте и через который в него “стекает” электрический ток от электроустановки.

На рисунке они показаны толстыми красными линиями:

Далее определения, не встречающиеся или не описанные достаточно точно в стандартах и нормах, поэтому имеющие только мое описание.

Контур заземления — “народное” название заземлителя или заземляющего устройства, состоящего из нескольких заземляющих электродов (группы электродов), соединенных друг с другом и смонтированных вокруг объекта по его периметру/ контуру.

На рисунке объект обозначен серым квадратом в центре,
а контур заземления — толстыми красными линиями:

Б. Назначение (виды) заземления

Заземление делится на два основных вида по выполняемой роли — на рабочее (функциональное) и защитное. Также в различных источниках приводятся дополнительные виды, такие как: “инструментальное”, “измерительное”, “контрольное”, “радио”.

Б1. Рабочее (функциональное) заземление

Это заземление точки или точек токоведущих частей электроустановки, выполняемое для обеспечения работы электроустановки (не в целях электробезопасности) (ПУЭ 1.7.30).

Рабочее заземление (электрический контакт с грунтом) используется для нормального функционирования электроустановки или оборудования, т.е. для их работы в ОБЫЧНОМ режиме.

Б2. Защитное заземление

Это заземление, выполняемое в целях электробезопасности (ПУЭ 1.7.29).

Защитное заземление обеспечивает защиту электроустановки и оборудования, а также защиту людей от воздействия опасных напряжений и токов, могущих возникнуть при поломках, неправильной эксплуатации техники (т.е. в АВАРИЙНОМ режиме) и при разрядах молний.
Также защитное заземление используется для защиты аппаратуры от помех при коммутациях в питающей сети и интерфейсных цепях, а также от электромагнитных помех, наведенных от работающего рядом оборудования.

  • в составе внешней молниезащитной системы в виде заземленного молниеприёмника
  • в составе системы защиты от импульсного перенапряжения
  • в составе электросети объекта
Б2.1. Заземление в составе молниезащиты

Молния — это разряд или другими словами «пробой», возникающий ОТ облака К земле, при накоплении в облаке заряда критической величины (относительно земли). Примерами этого явления в меньших масштабах является “пробой” (wiki) в конденсаторе и газовый разряд (wiki) в лампе.

Воздух — это среда с очень большим сопротивлением (диэлектрик), но разряд преодолевает его, т.к. обладает большой мощностью. Путь разряда проходит по участкам наименьшего сопротивления, таким как капли воды в воздухе и деревья. Этим объясняется корнеобразная структура молнии в воздухе и частое попадание молнии в деревья и здания (они имеют меньшее сопротивление, чем воздух в этом промежутке).
При попадании в крышу здания, молния продолжает свой путь к земле, также выбирая участки с наименьшим сопротивлением: мокрые стены, провода, трубы, электроприборы — таким образом представляя опасность для человека и оборудования, находящихся в этом здании.

Молниезащита предназначена для отвода разряда молнии от защищаемого здания/ объекта. Разряд молнии, идущий по пути наименьшего сопротивления попадает в металлический молниеприёмник над объектом, затем по металлическим молниеотводам, расположенным снаружи объекта (например, на стенах), спускается до грунта, где и расходится в нём (напоминаю: грунт является средой, имеющей свойство “впитывать” в себя электрический ток).

Для того, чтобы сделать молниезащиту «привлекательной» для молнии, а также для исключения распространения молниевых токов от деталей молниезащиты (приёмник и отводы) внутрь объекта, её соединение с грунтом производится через заземлитель, имеющий низкое сопротивление заземления.

Заземление в такой системе является обязательным элементом, т.к. именно оно обеспечивает полный и быстрый переход молниевых токов в грунт, не допуская их распространение по объекту.

Б2.2. Заземление в составе системы защиты от импульсного перенапряжения (УЗИП)

УЗИП предназначено для защиты электронного оборудования от заряда, накопленного на каком-либо участке линии/сети в результате воздействия электромагнитного поля (ЭМП), наведенного от рядом стоящей мощной электроустановки (или высоковольтной линии) или ЭМП, возникшего при близком (до сотен метров) разряде молнии.

Ярким примером этого явления является накопление заряда на медном кабеле домовой сети или на “пробросе” между зданиями во время грозы. В какой-то момент приборы, подключенные к этому кабелю (сетевая карта компьютера или порт коммутатора), не выдерживают «размера» накопившегося заряда и происходит электрический пробой внутри этого прибора, разрушающий его (упрощенно).
Для “стравливания” накопившегося заряда параллельно “нагрузке” на линию перед оборудованием ставит УЗИП.

Классический УЗИП представляет собой газовый разрядник (wiki), рассчитанный на определенный «порог» заряда, который меньше “запаса прочности” защищаемого оборудования. Один из электродов этого разрядника заземляется, а другой — подключается к одному из проводов линии/ кабеля.

При достижении этого порога внутри разрядника возникает разряд 🙂 между электродами. В результате чего накопленный заряд сбрасывается в грунт (через заземление).

Как и в молниезащите — заземление в такой системе является обязательным элементом, т.к. именно оно обеспечивает своевременное и гарантированное возникновение разряда в УЗИПе, не допуская превышение заряда на линии выше безопасного для защищаемого оборудования уровня.

Б2.3. Заземление в составе электросети

Третий пример защитной роли заземления — это обеспечение безопасности человека и электрооборудования при поломках/ авариях.

Проще всего такая поломка описывается замыканием фазного провода электросети на корпус прибора (замыкание в блоке питания или замыкание в водонагревателе через водную среду). Человек, коснувшийся такого прибора, создаст дополнительную электрическую цепь, через которую побежит ток, вызывающий в теле повреждения внутренних органов — прежде всего нервной системы и сердца.

Для устранения таких последствий используется соединение корпусов с заземлителем (для отвода аварийных токов в грунт) и защитные автоматические устройства, за доли секунды отключающие ток при аварийной ситуации.

Например, заземление всех корпусов, шкафов и стоек телекоммуникационного оборудования.

В. Качество заземления. Сопротивление заземления.

Для корректного выполнения заземлением своих функций оно должно иметь определенные параметры/ характеристики. Одним из главных свойств, определяющих качество заземления, является сопротивление растеканию тока (сопротивление заземления), определяющее способность заземлителя (заземляющих электродов) передавать токи, поступающие на него от оборудования в грунт.
Это сопротивление имеет конечные значения и в идеальном случае представляет собой нулевую величину, что означает отсутствие какого-либо сопротивления при пропускании «вредных» токов (это гарантирует их ПОЛНОЕ поглощение грунтом).

В1. Факторы, влияющие на качество заземления
  • площадь ( S ) электрического контакта заземлителя с грунтом
  • электрическое сопротивление ( R ) самого грунта, в котором находятся электроды
В1.1. Площадь контакта заземлителя с грунтом.

Чем больше будет площадь соприкосновения заземлителя с грунтом, тем больше площадь для перехода тока от этого заземлителя в грунт (тем более благоприятные условия создаются для перехода тока в грунт). Это можно сравнить с поведением автомобильного колеса на повороте. Узкая покрышка имеет небольшую площадь контакта с асфальтом и легко может начать скользить по нему, “отправив” автомобиль в занос. Широкая покрышка, да еще и немного спущенная, имеет много бОльшую площадь контакта с асфальтом, обеспечивая надежное сцепление с ним и, следовательно, надежный контроль за движением.(Пример оказался неграмотным. Спасибо SVlad — комментарий: habrahabr.ru/post/144464/#comment_4854521)

Увеличить площадь контакта заземлителя с грунтом можно либо увеличив количество электродов, соединив их вместе (сложив площади нескольких электродов), либо увеличив размер электродов. При применении вертикальных заземляющих электродов последний способ очень эффективен, если глубинные слои грунта имеют более низкое электрическое сопротивление, чем верхние.

В1.2. Электрическое сопротивление грунта (удельное)

Напомню: это величина, определяющая — как хорошо грунт проводит ток через себя. Чем меньшее сопротивление будет иметь грунт, тем эффективнее/ легче он будет “впитывать” в себя ток от заземлителя.

Примерами грунтов, хорошо проводящих ток, является солончаки или сильно увлажненная глина. Идеальная природная среда для пропускания тока — морская вода.
Примером “плохого” для заземления грунта является сухой песок.

Возвращаясь к первому фактору и способу уменьшения сопротивления заземления в виде увеличения глубины электрода можно сказать, что на практике более чем в 70% случаев грунт на глубине более 5 метров имеет в разы меньшее удельное электрическое сопротивление, чем у поверхности, за счет большей влажности и плотности. Часто встречаются грунтовые воды, которые обеспечивают грунту очень низкое сопротивление. Заземление в таких случаях получается очень качественным и надежным.

В2. Существующие нормы сопротивления заземления

Так как идеала (нулевого сопротивления растеканию) достигнуть невозможно, все электрооборудование и электронные устройства создаются исходя из некоторых нормированных величин сопротивления заземления, например 0.5, 2, 4, 8, 10, 30 и более Ом.

  • для подстанции с напряжением 110 кВ сопротивление растеканию токов должно быть не более 0,5 Ом (ПУЭ 1.7.90)
  • при подключении телекоммуникационного оборудования, заземление обычно должно иметь сопротивление не более 2 или 4 Ом
  • для уверенного срабатывания газовых разрядников в устройствах защиты воздушных линий связи (например, локальная сеть на основе медного кабеля или радиочастотный кабель) сопротивление заземления, к которому они (разрядники) подключаются должно быть не более 2 Ом. Встречаются экземпляры с требованием в 4 Ом.
  • у источника тока (например, трансформаторной подстанции) сопротивление заземления должно быть не более 4 Ом при линейном напряжении 380 В источника трехфазного тока или 220 В источника однофазного тока (ПУЭ 1.7.101)
  • у заземления, использующегося для подключения молниеприёмников, сопротивление должно быть не более 10 Ом (РД 34.21.122-87, п. 8)
  • для частных домов, с подключением к электросети 220 Вольт / 380 Вольт:
    • при использовании системы TN-C-S необходимо иметь локальное заземление с рекомендованным сопротивлением не более 30 Ом (ориентируюсь на ПУЭ 1.7.103)
    • при использовании системы TT (изолирование заземления от нейтрали источника тока) и применении устройства защитного отключения (УЗО) с током срабатывания 100 мА необходимо иметь локальное заземление с сопротивлением не более 500 Ом (ПУЭ 1.7.59)
    В3. Расчёт сопротивления заземления

    Для успешного проектирования заземляющего устройства, имеющего необходимое сопротивление заземления, применяются, как правило, типовые конфигурации заземлителя и базовые формулы для расчётов.

    Конфигурация заземлителя обычно выбирается инженером на основании его опыта и возможности её (конфигурации) применения на конкретном объекте.

    Выбор формул расчёта зависит от выбранной конфигурации заземлителя.
    Сами формулы содержат в себе параметры этой конфигурации (например, количество заземляющих электродов, их длину, толщину) и параметры грунта конкретного объекта, где будет размещаться заземлитель. Например, для одиночного вертикального электрода эта формула будет такой:

    Точность расчёта обычно невысока и зависит опять же от грунта — на практике расхождения практических результатов встречается в почти 100% случаев. Это происходит из-за его (грунта) большой неоднородности: он изменяется не только по глубине, но и по площади — образуя трёхмерную структуру. Имеющиеся формулы расчёта параметров заземления с трудом справляются с одномерной неоднородностью грунта, а расчёт в трёхмерной структуре сопряжен с огромными вычислительными мощностями и требует крайне высокую подготовку оператора.
    Кроме того, для создания точной карты грунта необходимо произвести большой объем геологических работ (например, для площади 10*10 метров необходимо сделать и проанализировать около 100 шурфов длиной до 10 метров), что вызывает значительное увеличение стоимости проекта и чаще всего не возможно.

    В свете вышесказанного почти всегда расчёт является обязательной, но ориентировочной мерой и обычно ведётся по принципу достижения сопротивления заземления “не более, чем”. В формулы подставляются усредненные значения удельного сопротивления грунта, либо их наибольшие величины. Это обеспечивает “запас прочности” и на практике выражается в заведомо более низких (ниже — значит лучше) значениях сопротивления заземления, чем ожидалось при проектировании.

    Строительство заземлителей

    При строительстве заземлителей чаще всего применяются вертикальные заземляющие электроды. Это связано с тем, что горизонтальные электроды трудно заглубить на большую глубину, а при малой глубине таких электродов — у них очень сильно увеличивается сопротивление заземления (ухудшение основной характеристики) в зимний период из-за замерзания верхнего слоя грунта, приводящее к большому увеличению его удельного электрического сопротивления.

    В качества вертикальных электродов почти всегда выбирают стальные трубы, штыри/ стержни, уголки и т.п. стандартную прокатную продукцию, имеющую большую длину (более 1 метра) при сравнительно малых поперечных размерах. Этот выбор связан с возможностью легкого заглубления таких элементов в грунт в отличии, например, от плоского листа.

    Заземление оборудования: нюансы технологии

    провода на шине

    Использование электрического оборудования прочно вошло в нашу жизнь. Электроприборы используются повсеместно: в быту, общественных и коммерческих организациях, фермах, производствах. Представить нашу жизнь без электричества и работающего на нем оборудования уже совершенно невозможно.

    Ток в любом оборудовании представляет собой упорядоченное движение заряженных частиц в проводнике. Для приборов таким проводником выступают медные или алюминиевые кабели. Но помимо этих металлов многие материалы способны к проведению тока, в том числе и человеческое тело. Опасным для здоровья и жизни человека является удар током. Он происходит, когда образуется электрическая цепь.

    При сбоях в работе любого электрического оборудования существует риск появления напряжения в тех частях устройства, где его не должно быть: в корпусе, креплении, иных деталях.

    заземление оборудования фото

    Такое оборудование становится опасным для человека. Прикосновение к поверхности повлечет за собой удар током. Последствия могут заключаться в легком пощипывании, так и привести к летальному исходу.

    Чтобы избежать негативных последствий от сбоя в работе оборудования требуется провести заземление. Эта процедура представляет собой соединение частей оборудования, которые при нормальных условиях функционирования устройства не связаны с проведением тока, с землей. Заземление состоит из проводника и заземлителя.

    Для каждого прибора заземление может подбираться индивидуально, при этом учитываются такие факторы как минимальное сопротивление контура, глубина ввинчивания заземлителей, их количество, разновидности. Все эти меры позволяют не только защитить человека, но и сохранить в целостности устройства.

    Заземление также способствует работе оборудования в оптимальных параметрах, которые соответствуют характеристике устройства.

    Заземление и зануление: в чем разница?

    Заземление электрического оборудования возможно двумя способами:

    • Защитное заземление: установка заземляющего приспособления и присоединение к нему части электрического объекта.
    • Зануление — присоединение частей электроприбора или установки с заземленной нейтралью с нулевым проводом. Этот тип защиты отключает оборудование при наличии повреждений.

    Заземлители разделяют на два вида: естественные и искусственные. К первым можно отнести металлоконструкции сооружений, которые соединены с землей.

    через штырь

    Искусственными заземлителями выступают стальные штыри, трубы, уголки, ввинченные в землю. Они имеют систему соединений между собой с помощью стальных полос или проволоки. Проводниками между электрическим оборудованием и заземлителями являются шины из стали или меди. Их соединяют при помощи сварки или болтами.

    Защитное заземление требуется для такого оборудования как электромашины, трансформаторы, шкафы.

    Согласно Правилам Устройства Электроустановок (ПУЭ) занулевание, как преднамеренная защита, используется только в промышленных условиях, и не должоа практиковаться в быту.

    Работа со схемой зануления рассчитана на предотвращения короткого замыкания. Именно при возникновении такой ситуации срабатывает автоматическое выключение. На производстве электроустановки имеют хотя бы общий контур заземления.

    Защитное заземление и зануление электроустановок позволяет обезопасить жизнь человека при взаимодействии с электрическими объектами, в случае возникновения неполадок в их работе.

    Разновидности заземления

    По ГОСТу «Электроустановки зданий» выделяются типы заземления, которые имеют буквенные значение, например, TN-S. Первая буква обозначает характер заземления источника питания, вторая буква указывает характер заземления открытых проводящих частей. Если имеется буква через дефис, то она говорит о способе устройства нулевых защитного и рабочего проводников.

    Особенности выполнения заземления

    Заземление для электрического оборудования, используемого вне бытовых условий, следует предоставить профессионалам.

    ГОРИНКОМ является специалистом в данной сфере, имеют профессиональные знания по заземлению электроустановок, что позволит создать надежные меры по защите и созданию безопасных условий для людей, работающих с таким оборудованием.

    Особенности при заземлении:

    • Заземление не требуется при напряжении менее 25В переменного тока и показателях постоянного тока меньше 60 В.
    • Заземление обязательно для устройств на взрывоопасных предприятиях, а также на установках со всеми видами напряжений переменного и постоянного тока.
    • Не производить меры по заземлению можно на невзрывоопасных предприятиях, а также при занулении металлических объектов. Но при этом обязательно для электрооборудования с корпусами, такими как в шкафах или пультах. Заземление в этих случаях обязательно.

    Профессионалы обладают специфическими знаниями по особенностям заземления любых объектов, что создаст наиболее безопасные и надежные условия для людей, оградив их от пагубного прямого воздействия электрического тока.

    Заземление серверного шкафа

    серверная фото

    Серверные шкафе предназначены для надежного хранения сетевых и коммуникационных оборудований. Широкое применение получили в коммерческих организациях, где хранение информации и оборудования требует отведения специального места.

    Любое электрическое оборудование требует соблюдения норм безопасности, создания условий, которые не приведут к порче имущества и нанесению вреда здоровью, жизни человека.

    Одним из требований из «Правил устройства электроустановок» является заземление. Эта мера позволяет снять статистический заряд с оборудования и шкафа, совершить уравнивание потенциалов.

    Заземление серверного шкафа производится благодаря телекоммуникационной шине, соединенной заземляющим проводником. Последний должен быть стальным с площадью сечения менее 4 кв. мм. Медная шина с 19″ крепление рекомендуется для оптимальной защиты серверных шкафов.

    Установка производится непосредственно в конструкции. Соединение шины происходит к кронштейнам с помощью специальных держателей.

    Соединять несколько шкафов проводником нельзя, для этой цели лучше воспользоваться заземленными розетками. Расположить их стоит на расстоянии 3 метров.

    Информационное заземление установок и оборудования позволяет обезопасить не только материальные объекты, но и интеллектуальную ценность. Оборудование в виде серверных шкафов предназначено для надежного сбережения необходимой информации.

    Заземление трансформаторов тока

    Действия по заземлению трансформатора позволяет организовать безопасные условия для функционирования оборудования и работы людей, связанных с обслуживанием системы кабелей.

    Заземления в трансформаторах тока требуют все металлические части, в том числе опорных конструкций, различных каркасов, которые могут накапливать заряд.

    Для этого используют штыри из стали, которые необходимо вставить в землю в вертикальном положении. Длина такого штыря должна составлять не меньше 4 м, диаметр — более 12 мм.

    Ввинченные заземлители необходимо расположить под землей на 80 см — это оптимальный показатель размещения для надежного заземления. Заземлители, расположенные горизонтально, должны быть выполнены из стали с диаметром более 4 мм.

    заземление трансформаторных подстанций

    Заземление обязательно должно включать подсоединение к защитному контуру и вторичным обмоткам. Такая особенность отличает заземление трансформатора тока и напряжения. В случае необходимости обезопасить несколько трансформаторов возможно заземление вторичных обмоток каждого общим проводником.

    Технологические трубопроводы

    Заземление технологических трубопроводов позволяет обезопасить объект от статистического заряда. Процедура проводится с помощью хомута проводника из полосовой стали. Он должен крепко охватывать объект для надежного заземления.

    Для заземления следует использовать хомут размерами обхвата сопоставимыми с внешним диаметром трубы.

    Кроме того, для этой цели понадобятся заземляющий отвод, крепежные болты, шайбы и гайка. Хомут перед креплением необходимо очистить. Если в непосредственной близости от трубопровода (порядка 10 см) расположены металлические конструкции, то они также требуют заземления.

    Особые способы заземления

    Одним из усовершенствованных способов заземления для оборудования является модульное заземление. Принцип устройства заключается в закапывании глубинного электрода отрезками, которые называют модулями.

    Они представляют собой стальной электрод с напылением из меди. Вкапывание производится с помощью молотка. Количество модулей зависит от необходимой степени заземления. Небольшие габариты модулей позволяют легко доставлять до места установки. Монтаж такой системы заземления довольно прост.

    Недостатком такого способа является невозможность применения в твердых и промерзлых грунтах.

    Функциональное заземление — способ заземления оборудования для его нормального функционирования, характеризующийся полным отсутствием электрического потенциала. Для заземления используется функциональный заземляющий проводник и защитный проводник, которые объединяют в один и присоединяют к шине.

    Любое заземление позволяет создать комфортные и безопасные условия по эксплуатации электрооборудования. Предотвращает удары тока при возникновении сбоев, неправильной работы устройств.

    Ситуации по выходу из строя оборудования создают опасные условия по возникновению напряжения в непредназначенных для этого местах. Заземление позволяет убрать напряжение, ток, передав его земле, при этом здоровье и жизнь человека остаются в безопасности, а оборудование прослужит долго.

    Земля в АСУ ТП

    Сегодня поговорим о заземлении в АСУ ТП и промышленных системах, основными целями которой являются защита обслуживающего персонала и стабильной работы РСУ. Многие недопонимают тему заземления в промышленных системах, а ее неправильное подключение ведет к плохим последствиям, авариям и даже дорогостоящим простоям из-за нарушения и поломки оборудования. Помехи являются случайной величиной, детектировать которых очень сложно без спец аппаратуры.

    Источники помех на шине Земля

    Все помехи, воздействующие на кабели, датчики, исполнительные механизмы, контроллеры и металлические шкафы автоматики, в большинстве случаев протекают и по заземляющим проводникам, создавая паразитное электромагнитное поле вокруг них и падение напряжения помехи на проводниках.

    Источниками и причинами помех могут быть молния, статическое электричество, электромагнитное излучение, «шумящее» оборудование, сеть питания 220 В с частотой 50 Гц, переключаемые сетевые нагрузки, трибоэлектричество, гальванические пары, термоэлектрический эффект, электролитические процессы, движение проводника в магнитном поле и др. В промышленности встречается много помех, связанных с неисправностями или применением не сертифицированной аппаратуры. В России уровень помех регулируются нормативами — ГОСТ Р 51318.14.1, ГОСТ Р 51318.14.2, ГОСТ Р 51317.3.2, ГОСТ Р 51317.3.3, ГОСТ Р 51317.4.2, ГОСТ 51317.4.4, ГОСТ Р 51317.4.11, ГОСТ Р 51522, ГОСТ Р 50648. На этапе проектирования промышленного оборудования, чтобы снизить уровень помех, применяют маломощную элементную базу с минимальным быстродействием и стараются уменьшить длину проводников и экранирование.

    Основные определения по теме «Общее заземление»

    Защитное заземление — соединение проводящих частей оборудования с грунтом Земли через заземляющее устройство с целью защиты человека от поражения током.
    Заземляющее устройство — совокупность заземлителя (то есть проводника, соприкасающегося с землёй) и заземляющих проводников.
    Общий провод — проводник в системе, относительно которого отсчитываются потенциалы, например, общий провод БП и прибора.
    Сигнальное заземление — соединение с землёй общего провода цепей передачи сигнала.
    Сигнальная земля делится на цифровую землю и аналоговую. Сигнальную аналоговую землю иногда делят на землю аналоговых входов и землю аналоговых выходов.
    Силовая земля — общий провод в системе, соединённый с защитной землей, по которому протекает большой ток.
    Глухозаземлённая нейтраль — нейтраль трансформатора или генератора, присоединённая к заземлителю непосредственно или через малое сопротивление.
    Нулевой провод — провод, соединённый с глухозаземлённой нейтралью.
    Изолированная нейтраль — нейтраль трансформатора или генератора, не присоединённая к заземляющему устройству.
    Зануление — соединение оборудования с глухозаземлённой нейтралью трансформатора или генератора в сетях трёхфазного тока или с глухозаземлённым выводом источника однофазного тока.

    Заземление АСУ ТП принято подразделять на:

    1. Защитноое заземление.
    2. Рабочеее заземление, или функциональное FE.

    Цели заземления

    Защитное заземление нужно для защиты людей от поражения электрическим током для оборудования с напряжением питания от 42 В переменного или от 110 В постоянного тока, за исключением взрывоопасных зон. Но в тоже время защитное заземление часто приводит к увеличению уровня помех в АСУ ТП.

    Электрические сети с изолированной нейтралью используются для избежания перерывов питания потребителя при единственном повреждении изоляции, поскольку при пробое изоляции на землю в сетях с глухозаземлённой нейтралью срабатывает защита и питание сети прекращается.
    Сигнальная земля служит для упрощения электрической схемы и удешевления устройств и систем промышленной автоматизации.

    В зависимости от целей применения сигнальные земли можно разделить на базовые и экранные. Базовая земля используется для отсчёта и передачи сигнала в электронной цепи, а экранная земля используется для заземления экранов. Экранная земля используется для заземления экранов кабелей, экранирующих перегородок, корпусов приборов, а также для снятия статических зарядов с трущихся частей транспортёрных лент, ремней электроприводов.

    Виды заземлений

    Одним из путей ослабления вредного влияния цепей заземления на системы автоматизации является раздельное выполнение систем заземлений для устройств, имеющих разную чувствительность к помехам или являющихся источниками помех разной мощности. Раздельное исполнение заземляющих проводников позволяет выполнить их соединение с защитной землёй в одной точке. При этом разные системы земель представляют собой лучи звезды, центром которой является контакт к шине защитного заземления здания. Благодаря такой топологии помехи «грязной» земли не протекают по проводникам «чистой» земли. Таким образом, несмотря на то что системы заземления разделены и имеют разные названия, в конечном счёте все они соединены с Землёй через систему защитного заземления. Исключение составляет только «плавающая» земля.

    Силовое заземление

    В системах автоматизации могут использоваться электромагнитные реле, микромощные серводвигатели, электромагнитные клапаны и другие устройства, ток потребления которых существенно превышает ток потребления модулей ввода/вывода и контроллеров. Цепи питания таких устройств выполняют отдельной парой свитых проводов (для уменьшения излучаемых помех), один из которых соединяется с шиной защитного заземления. Общий провод такой системы (обычно провод, подключённый к отрицательному выводу источника питания) является силовой землёй.

    Аналоговая и цифровая земля

    Системы промышленной автоматизации являются аналого-цифровыми. Поэтому одним из источников погрешностей аналоговой части является помеха, создаваемая цифровой частью системы. Для исключения прохождения помех через цепи заземления цифровую и аналоговую землю выполняют в виде несвязанных проводников, соединённых вместе только в одной общей точке. Для этого модули ввода/вывода и промышленные контроллеры имеют отдельные выводы аналоговой земли (A.GND) и цифровой (D.GND).

    «Плавающая» земля

    «Плавающая» земля образуется в случае, когда общий провод небольшой части системы электрически не соединяется с шиной защитного заземления (то есть с Землёй). Типовыми примерами таких систем являются батарейные измерительные приборы, автоматика автомобиля, бортовые системы самолёта или космического корабля. Плавающая земля чаще используется в технике измерений малых сигналов и реже – в системах промышленной автоматизации.

    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 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.

    Источник https://habr.com/ru/post/144464/

    Источник https://www.gorinkom.ru/elektrika/zazemlenie/zazemlenie-oborudovaniya.html

    Источник https://automation-system.ru/main/11-asutp/asu-tp/467-zazemlenie.html

    Вам будет интересно  Системы уравнивания потенциалов - основная (ОСУП) и дополнительная (ДСУП). Заземление