Заземление и Молниеотводы

Заземление — преднамеренное электрическое соединение определенной точки сети, электроустановки или оборудования с заземляющим устройством. В электротехнике заземление используется для защиты от опасного действия электрического тока, снижая напряжение до безопасного уровня для человека и животных. Заземление это непосредственный контакт заземляющего проводника с грунтом имеющим низкое удельное электрическое сопротивление. К таким грунтам относятся, например:  глина, чернозём и суглинок.

Какой грунт лучше для заземления и как улучшить свойства, уменьшив удельное сопротивление грунта

Принятые обозначения для электроустановок напряжением до 1 кВ

Принцип защиты и работы заземления при неисправности

СУП (система уравнивания потенциалов)

Молниеотвод (громоотвод) — устройство, устанавливаемое на зданиях, сооружениях, антенных мачтах и служащее для защиты от удара молнии.

Во время грозы над Землёй индуцируются значительные заряды, и у поверхности возникает сильное электрическое поле. Напряжённость поля особенно велика возле острых проводников, поэтому на конце молниеотвода зажигается коронный разряд. Воздух вблизи молниеотвода в результате коронного разряда сильно ионизируется. Это приводит к снижению напряжённости электрического поля вблизи острия (аналогично поведению поля внутри любого проводника), в результате чего индуцированные заряды не могут накапливаться на здании, и вероятность возникновения молнии уменьшается. В тех редких случаях, когда молния всё же возникает, она исходит из молниеотвода, не причиняя разрушений.

Устройство Молниеотвода Состоит из трёх связанных между собой частей:

1. Молниеприёмник — служит для приёма разряда молнии и располагается в зоне возможного контакта с молнией. В зависимости от защищаемого объекта, может представлять собой металлический штырь, сеть из проводящего материала или металлический трос, натянутый над защищаемым объектом.

2. Заземляющий проводник или токоотвод — проводник, служащий для отвода заряда от молниеприёмника к заземлителю. Обычно представляет собой провод достаточно большого сечения.

3. Заземлитель — проводник или несколько соединённых между собой проводников, находящихся в контакте с грунтом. Обычно представляет собой металлическую плиту, заглублённую в грунт. Это сделано для лучшего рассеивания электричества.

Принятые обозначения для электроустановок напряжением до 1 кВ:

система TN — система, в которой нейтраль источника питания глухо заземлена, а открытые проводящие части электроустановки присоединены к глухозаземлённой нейтрали источника посредством нулевых защитных проводников;
система TN-С — система TN, в которой нулевой защитный и нулевой рабочий проводники совмещены в одном проводнике на всём её протяжении;
система TN-S — система TN, в которой нулевой защитный и нулевой рабочий проводники разделены на всём её протяжении;
система TN-C-S — система TN, в которой функции нулевого защитного и нулевого рабочего проводников совмещены в одном проводнике в какой-то её части, начиная от источника питания;
система IT — система, в которой нейтраль источника питания изолирована от земли или заземлена через приборы или устройства, имеющие большое сопротивление, а открытые проводящие части электроустановки заземлены;
система ТТ — система, в которой нейтраль источника питания глухо заземлена, а открытые проводящие части электроустановки заземлены при помощи заземляющего устройства, электрически независимого от глухозаземлённой нейтрали источника.
Первая буква — состояние нейтрали источника питания относительно земли
Т — заземлённая нейтраль (лат. terra);
I — изолированная нейтраль (англ. isolation).
Вторая буква — состояние открытых проводящих частей относительно земли
Т — открытые проводящие части заземлены, независимо от отношения к земле нейтрали источника питания или какой-либо точки питающей сети;
N — открытые проводящие части присоединены к глухозаземлённой нейтрали источника питания.
Последующие (после N) буквы — совмещение в одном проводнике или разделение функций нулевого рабочего и нулевого защитного проводников
S — нулевой рабочий (N) и нулевой защитный (PE) проводники разделены (англ. separated);
С — функции нулевого защитного и нулевого рабочего проводников совмещены в одном проводнике (PEN-проводник) (англ. combined);
N — нулевой рабочий (нейтральный) проводник; (англ. neutral)
PE — защитный проводник (заземляющий проводник, нулевой защитный проводник, защитный проводник системы уравнивания потенциалов)(англ.  Protective Earth)
PEN — совмещённый нулевой защитный и нулевой рабочий проводники (англ.  Protective Earth and Neutral).

Система  TN-C  (фр. Terre-Neutre-Combiné) предложена немецким концерном AEG в 1913 году. Рабочий ноль и PE-проводник (англ. Protection Earth) в этой системе совмещены в один провод. Самым большим недостатком была возможность появления линейного напряжения на корпусах электроустановок при аварийном обрыве нуля. Несмотря на это, данная система всё ещё встречается в постройках стран бывшего СССР. Из современных электроустановок, такая система встречается только в уличном освещении из соображений экономии и пониженного риска.

Система  TN-S  (фр. Terre-Neutre-Séparé) была разработана на замену условно опасной системы TN-C в 1930-х годах. Рабочий и защитный ноль разделялись прямо на подстанции, а заземлитель представлял собой довольно сложную конструкцию металлической арматуры. Таким образом, при обрыве рабочего нуля в середине линии, корпуса электроустановок не получали линейного напряжения. Позже такая система заземления позволила разработать дифференциальные автоматы и срабатывающие на утечку тока автоматы, способные почувствовать незначительный ток. Их работа основывается на правилах Кирхгофа, согласно которым текущий по рабочему нулю ток должен быть численно равным геометрической сумме токов в фазах.

В системе  TN-C-S  трансформаторная подстанция имеет непосредственную связь токопроводящих частей с землёй и наглухо заземлённую нейтраль. Для обеспечения связи на участке трансформаторная подстанция — ввод в здание применяется совмещённый нулевой рабочий (N) и защитный проводник (PE), принимающий обозначение PEN. При вводе в здание он (PEN) разделяется на отдельный нулевой (N) и защитный проводник (PE).

• Также можно наблюдать систему TN-C-S, где разделение нулей происходит в середине линии, однако, в случае обрыва нулевого провода до точки разделения, корпуса окажутся под линейным напряжением, что будет представлять угрозу для жизни при касании.
• Достоинства: более простое устройство молниезащиты (невозможно появление пика напряжения между PE и N), возможность защиты от КЗ фазы на корпус прибора с помощью обыкновенных «автоматов».
• Недостатки: крайне слабая защищённость от «отгорания нуля», то есть разрушения PEN по пути от КТП к точке разделения. В этом случае на шине PE со стороны потребителя появляется фазное напряжение, которое не может быть отключено никакой автоматикой (PE не подлежит отключению). Если внутри здания защитой от этого служит система уравнивания потенциалов (СУП) (под напряжением оказывается всё металлическое, и нет риска поражения током при прикосновении к 2 разным предметам), то на открытом воздухе никакой защиты от этого не существует.

В соответствии с ПУЭ является основной и рекомендуемой системой, но при этом ПУЭ требуют соблюдения ряда мер по недопущению разрушения PEN — механическую защиту PEN, а также повторных заземлений PEN воздушной линии по столбам через какое-то расстояние (не более 200 метров для районов с числом грозовых часов в году до 40, 100 метров для районов с числом грозовых часов в году более 40).

В случае, когда эти меры соблюсти невозможно, ПУЭ рекомендуют TT. Также ТТ рекомендуется для всех установок под открытым небом (сараи, веранды и т. д.)

В городских зданиях шиной PEN обычно является толстая металлическая рама, вертикально идущая через всё здание. Её практически невозможно разрушить, потому в городских зданиях применяется TN-C-S.

В сельской же местности в России на практике существует огромное количество воздушных линий без механической защиты PEN и повторных заземлений. Потому в сельской местности более популярна система TT.

В позднесоветской городской застройке как правило применялась TN-C-S с точкой деления на основе электрощита (PEN) рядом со счетчиком, при этом PE проводилась только для электроплиты.

В современной российской застройке применяется и «пятипроводка» с точкой деления в подвале, в стояках проходят уже независимые N и PE.

В системе  IT  нейтраль источника питания изолирована от земли или заземлена через приборы или устройства, имеющие большое сопротивление, а открытые проводящие части заземлены. Ток утечки на корпус или на землю в такой системе будет низким и не повлияет на условия работы присоединённого оборудования.

Система  IT  применяется, как правило, в электроустановках зданий и сооружений специального назначения, к которым предъявляются повышенные требования надёжности и безопасности, например, электроустановки подземных разработок и угольных шахт, при этом для создания безопасных условий эксплуатации для обслуживающего персонала (при появлении потенциала на электроустановке относительно земли) и исключения взрывов пыли и газов в обязательном порядке устанавливаются так называемые рудничные устройства защиты от токов утечки; система IT может также применяться в больницах для аварийного электроснабжения и освещения.

Изолированную нейтраль имеют портативные бензиновые и дизельные электростанции, что позволяет достаточно безопасно использовать подключенные к ним электроприборы без заземления, которое в «полевых» условиях сделать проблематично.

Ранее система с изолированной нейтралью была широко распространена и в системах энергоснабжения жилых домов, особенно деревянных неблагоустроенных, питающие линии к которым также подводились по деревянным опорам. В СССР бытовые электросети сети напряжения 127/220 В были только с изолированной нейтралью, хотя промышленные сети напряжения 220/380 В в те же годы уже имели заземленную нейтраль. Связано это было с тем, что организовать надежное заземление электрического щита и электроприборов в деревянном доме было проблематично, кроме того при наличии заземления возрастал риск возникновения пожара при замыкании фазового провода или возникновении утечки тока на заземлитель, который в системах с глухозаземленной нейтралью достигает сотен ампер. В системах и изолированной нейтралью этот ток минимален (миллиамперы — единицы ампер). Изолированная нейтраль в сочетании с отсутствием в деревянном неблагоустроенном доме естественно заземленных токопроводящих элементов (арматуры, водопровода, канализации) и сравнительно низком напряжении (127 В) дополнительно практически до минимума снижала риск поражения электрическим током при однофазном прикосновении. Эта особенность ранних бытовых сетей приводила к тому, что многими людьми электрический ток не воспринимался как источник повышенной опасности и работы по замене лампочек, ремонту розеток и выключателей часто проводились без отключения сети. Использование приборов класса защиты от поражения электрическим током 0 было также достаточно безопасно. В сети с изолированной нейтралью, при однофазном подключении, оба проводника равноправны и не подразделяются на фазовый и нейтральный. По этой причине в старых домах предохранители на вводе в квартиру ставились на обоих проводниках (в системах с заземленной нейтралью предохранитель на нейтральном проводе устанавливать недопустимо).

Сети с изолированной нейтралью сохранились и с началом распространения железобетонных благоустроенных домов, имеющих токопроводящие стены и заземленные трубопроводы. Этот фактор резко повысил риск поражения электрическим током в быту, так как в железобетонном доме неизбежно возникали неконтролируемые утечки тока на землю, из-за чего один из фазовых проводов мог оказаться непреднамеренно связанным с токопроводящими конструкциями здания и землёй. Но так как нейтраль изолирована — ток короткого замыкания при этом не возникал, факт утечки тока на здание и землю не обнаруживался и сеть могла работать в аварийном режиме продолжительное время. В такой ситуации случайное прикосновение к другому фазовому проводнику человеком (или к прибору с нарушенной изоляцией), находящимся на бетонном полу, в ванной или у раковины становилось чрезвычайно опасным, так как человек оказывался под линейным напряжением. Поэтому с началом массового строительства железобетонных домов («Хрущевок») бытовые сети стали строиться уже по системе с заземленной нейтралью: в 1960-х — 1980-х годах по системе TN-C, а с 1990-х по системе TN-C-S. В сельской местности, особенно на Севере, сети с изолированной нейтралью строились дольше — до 1980-х годов.

В местностях с очень высоким удельным электрическим сопротивлением грунта (пустынные районы, районы многолетней мерзлоты), где реализовать надежное заземление нейтрали чрезвычайно сложно также могут строится сети с изолированной нейтралью. Таких сетей много в Туркменистане и в Якутии. На арктических полярных станциях также применяется изолированная нейтраль. При этом в обязанности персонала дизель-генераторных установок входит наблюдение за током нулевой последовательности, который становится отличным от нуля при однофазном замыкании на землю.

Защитное действие заземления основано на двух принципах:

• Уменьшение до безопасного значения разности потенциалов между заземляемым проводящим предметом и другими проводящими предметами, имеющими естественное заземление.
• Отвод тока утечки при контакте заземляемого проводящего предмета с фазным проводом. В правильно спроектированной системе появление тока утечки приводит к немедленному срабатыванию защитных устройств (устройств защитного отключения — УЗО).
• В системах с глухозаземлённой нейтралью — инициирование срабатывания предохранителя при попадании фазного потенциала на заземлённую поверхность.

Заземление наиболее эффективно только в комплексе с использованием устройств защитного отключения. В этом случае при большинстве нарушений изоляции потенциал на заземлённых предметах не превысит безопасных величин. Более того, неисправный участок сети будет отключён в течение очень короткого времени (десятые…сотые доли секунды — время срабатывания УЗО).

Работа заземления при неисправностях электрооборудования:

Типичный случай неисправности электрооборудования — попадание фазного напряжения на металлический корпус прибора вследствие нарушения изоляции. Современные электроприборы, имеющие импульсный источник вторичного электропитания, и снабжённые трёхполюсной вилкой, — такие как системный блок ПЭВМ, — при отсутствии заземления имеют опасный потенциал на корпусе, даже когда они полностью исправны.) В зависимости от того, какие защитные мероприятия реализованы, возможны следующие варианты:

Корпус не заземлён, УЗО отсутствует (наиболее опасный вариант).

• Корпус прибора будет находиться под фазным потенциалом и это никак не будет обнаружено. Прикосновение к такому неисправному прибору может быть смертельно опасным.

Корпус заземлён, УЗО отсутствует.

• Если ток утечки по цепи фаза-корпус-заземлитель достаточно велик (превышает порог срабатывания предохранителя, защищающего эту цепь), то предохранитель сработает и отключит цепь. Наибольшее действующее напряжение (относительно земли) на заземлённом корпусе составитU_max=R_G·I_F, гдеR_G− сопротивление заземлителя,I_F− ток, при котором срабатывает предохранитель, защищающий эту цепь. Данный вариант недостаточно безопасен, так как при высоком сопротивлении заземлителя и больших номиналах предохранителей потенциал на заземлённом проводнике может достигать довольно значительных величин. Например, при сопротивлении заземлителя 4 Ом и предохранителе номиналом 25 А потенциал может достигать 100 вольт.

Корпус не заземлён, УЗО установлено.

• Корпус прибора будет находиться под фазным потенциалом и это не будет обнаружено до тех пор, пока не возникнет путь для прохождения тока утечки. В худшем случае утечка произойдёт через тело человека, коснувшегося одновременно неисправного прибора и предмета, имеющего естественное заземление. УЗО отключает участок сети с неисправностью, как только возникла утечка. Человек получит лишь кратковременный удар током (0,01…0,3 с — время срабатывания УЗО), как правило, не причиняющий вреда здоровью.

Корпус заземлён, УЗО установлено.

• Это наиболее безопасный вариант, поскольку два защитных мероприятия взаимно дополняют друг друга. При попадании фазного напряжения на заземлённый проводник ток течёт с фазного проводника через нарушение изоляции в заземляющий проводник и далее в землю. УЗО немедленно обнаруживает эту утечку, даже если та весьма незначительна (обычно порог чувствительности УЗО составляет 10 мА или 30 мА), и быстро (0,01…0,3 с) отключает участок сети с неисправностью. Помимо этого, если ток утечки достаточно велик (превышает порог срабатывания предохранителя, защищающего эту цепь), то может также сработать и предохранитель. Какое именно защитное устройство (УЗО или предохранитель) отключит цепь — зависит от их быстродействия и тока утечки. Возможно также срабатывание обоих устройств. Важно также, что только в этом случае, отказ какого-либо одного из двух защитных устройств не приведёт к полной неработоспособности системы защиты.

Ошибки в проектировании устройств заземления.

Неправильные PE-проводники

Иногда в качестве заземлителя используют водопроводные трубы или трубы отопления, однако их нельзя использовать в качестве заземляющего проводника[15]. В водопроводе могут быть непроводящие вставки (например, пластиковые трубы), электрический контакт между трубами может быть нарушен из-за коррозии, и, наконец, часть трубопровода может быть разобрана для ремонта. Также существует опасность поражения электрическим током при соприкосновении с токопроводящими частями сантехники.

«Чистая земля»
Популярным является поверье о том, что компьютерные и телефонные установки требуют заземления, отдельного от общего заземления всего здания.

Такое мнение справедливо лишь в случае требования и/или организации функционального заземления, необходимого для правильной работы оборудования.
При организации защитного заземления, такое поверье будет совершенно неверно, ибо ЗУ имеет ненулевое сопротивление, и, в случае КЗ (и даже небольшой, не обнаруживаемой автоматикой утечки) фаза — PE на одном из устройств, по ЗУ начинает течь ток и его потенциал растёт из-за сопротивления ЗУ. В случае наличия 2 и более независимых ЗУ это приведёт к появлению разности потенциалов между PE различных электроустановок, что может создать риск поражения людей током, а также заблокировать (или даже разрушить) интерфейсные устройства без гальванической развязки, которые соединяют 2 части системы, заземлённые от независимых ЗУ.

Правильным решением является организация системы уравнивания потенциалов.

Вышеперечисленное относится также и к «кустарным» реализациям, к примеру иногда применяемому в сельской местности методу заземления одного прибора путём соединения его с закопанным металлическим контактом (например, ведром).

Объединение рабочего нуля и PE-проводника
Другим часто встречающимся нарушением является объединение рабочего нуля и PE-проводника за точкой их разделения (если она есть) по ходу распределения энергии.[16] Такое нарушение может привести к появлению довольно значительных токов по PE-проводнику (который не должен быть токонесущим в нормальном состоянии), а также к ложным срабатываниям устройства защитного отключения (если оно установлено).

Неправильное разделение PEN-проводника
Крайне опасным является следующий способ «создания» PE-проводника: прямо в розетке определяется рабочий нулевой проводник и ставится перемычка между ним и PE-контактом розетки. Таким образом, PE-проводник нагрузки, подключённой к этой розетке, оказывается соединённым с рабочим нулём.

Опасность данной схемы в том, что на заземляющем контакте розетки, а следовательно, и на корпусе подключённого прибора появится фазный потенциал, при выполнении любого из следующих условий:

Разрыв (рассоединение, перегорание и т. д.) нулевого проводника на участке между розеткой и щитом (а также далее, вплоть до точки заземления PEN-проводника);
Перестановка местами фазного и нулевого (фазный вместо нулевого и наоборот) проводников, идущих к этой розетке.

Система уравнивания потенциалов

Так как ЗУ имеет сопротивление, и в случае протекания через него тока оказывается под напряжением, его одного недостаточно для защиты людей от поражения током.

Правильная защита создается путём организации системы уравнивания потенциалов (СУП), то есть электрического соединения PE проводки и всех доступных для прикосновения металлических частей здания (в первую очередь водопроводы и отопительные трубопроводы).

В этом случае, даже если ЗУ окажется под напряжением, под ним же оказывается всё металлическое и доступное для прикосновения, что снижает риск поражения током.

В кирпичных домах советского периода, как правило, СУП не организовывалась, в панельных же (1970-е и позже) — организовывалась путём соединения в подвале дома рамы электрощитков (PEN) и водопроводов.

В местностях с высоким удельным электрическим сопротивлением грунта (пустыни, зоны многолетней мерзлоты) уравнивание потенциалов приходится выполнять не только внутри здания, но и между зданиями. Например, в Норильске здания объединены общим контуром заземления, вокруг каждого здания в грунте находятся штыри выравнивания потенциалов. При этом общий контур заземления зданий соединен с контуром заземления ТЭЦ-1, образуя по факту «искусственную землю». Однако главные заземлители все таки погружены в не промерзающие водоемы (озеро Долгое и другие), что обеспечивает электрическую связь с «естественной землёй». Похожая система существует и ряде городов Средней Азии. Но, например, в Аркалыке, где водоёмов нет, «искусственная земля» получается изолированной.

Всем привет. Хочу добавить из собственного опыта работы с мощными Радио и ТВ передающими станциями.
В критически важных высоковольтных мощных ВЧ  узлах используются дегидраторы т.к. простой вентилятор не годится.
Поток осушенного воздуха направляется на такие потенциально опасные для пробоя узлы как КПЕ и т.п.
Особо это критично при повышенной влажности в летний период.
Пылинки прилипают к металлу между ВВ ВЧ элементами уменьшая воздушный зазор и вызывают пробой и дугу.
Все видели как красив вентилятор компютерного блока питания после определённого срока работы. 
Тут получается похожая картинка плюс очень красивая дуга и необратимые вредные последствия.