Заземление в электрике и электронике¶

Заземление — это преднамеренное электрическое соединение точек электрической сети, электроустановки или оборудования с заземляющим устройством. Заземляющее устройство представляет собой совокупность заземлителя (проводящей части, находящейся в непосредственном контакте с грунтом) и заземляющих проводников, соединяющих заземляемую часть с заземлителем. Основной физический смысл заземления — создание пути стекания тока утечки или тока короткого замыкания в землю, которая в электротехнике рассматривается как среда с практически неограниченной ёмкостью, способная принимать электрический заряд.

¶Функции и назначение

Заземление выполняет две главные функции: защитную и рабочую (функциональную). Защитное заземление предназначено для обеспечения электробезопасности людей и животных, а также для защиты оборудования от повреждений. Оно снижает напряжение прикосновения и шага до безопасных величин при замыкании токоведущих частей на металлический корпус. Рабочее заземление используется для обеспечения нормального режима работы электроустановки (например, заземление нейтрали трансформатора, заземление в системах молниезащиты) и для создания опорных потенциалов в электронных схемах.

¶Системы заземления

В международной практике (МЭК 60364) и российской нормативной документации (ПУЭ) принята классификация систем заземления по буквенному коду. Первая буква характеризует режим нейтрали источника питания (T — глухозаземлённая нейтраль, I — изолированная нейтраль). Вторая буква характеризует состояние открытых проводящих частей (T — заземлены, N — соединены с нейтралью источника). Последующие буквы описывают устройство нулевого рабочего и нулевого защитного проводников.

Основные системы:

• TN-C — устаревшая система, в которой нулевой рабочий (N) и нулевой защитный (PE) проводники объединены в один проводник (PEN) по всей длине сети. Характерна для старых зданий; считается менее безопасной из-за риска обрыва PEN-проводника.
• TN-S — система, в которой N и PE проводники разделены на всём протяжении от источника питания до потребителя. Наиболее безопасная и широко применяемая в современном строительстве.
• TN-C-S — комбинированная система, где PEN-проводник объединяется до вводного устройства (главного распределительного щита), а далее разделяется на отдельные N и PE. Является основным решением при модернизации старых зданий.
• TT — система, в которой нейтраль источника глухо заземлена, а открытые проводящие части электроустановки заземлены через независимый местный заземлитель, не связанный с нейтралью. Применяется для временных, передвижных и сельских объектов.
• IT — система с изолированной нейтралью источника, где корпуса оборудования заземлены через местный заземлитель. Используется в медицинских учреждениях (операционные), на горнодобывающих предприятиях и в других местах с повышенными требованиями к непрерывности питания.

¶Устройство и конструктивные элементы

Заземлители подразделяются на естественные и искусственные. В качестве естественных заземлителей используют металлические конструкции зданий, проложенные в земле водопроводные и другие трубопроводы (кроме труб с горючими жидкостями и газами), оболочки кабелей. Искусственные заземлители изготавливают из вертикально забитых стальных стержней, уголков или труб, соединённых горизонтальными полосами (контур заземления). В современной практике широко применяются модульно-штыревые системы глубокого заземления — наборы стальных омеднённых стержней, забиваемых на глубину до 20–40 метров до достижения низкоомных грунтовых слоёв.

Сопротивление заземляющего устройства нормируется ПУЭ. Для установок напряжением до 1 кВ с глухозаземлённой нейтралью сопротивление должно быть не более 4 Ом (при мощности источника 100 кВА и более). Для молниезащиты сопротивление обычно не должно превышать 10 Ом. В системах с изолированной нейтралью требования к сопротивлению зависят от напряжения и условий эксплуатации.

¶Виды заземления

По назначению различают защитное, рабочее и молниезащитное заземление. Защитное заземление соединяет с землёй металлические нетоковедущие части, которые могут оказаться под напряжением при повреждении изоляции. Рабочее заземление обеспечивает функционирование сети (заземление нейтрали, заземление экранов, опорных точек). Молниезащитное заземление отводит в землю токи молнии.

Отдельно выделяют заземление электроники и слаботочных систем (сигнальное заземление). Оно служит для создания общей опорной точки с нулевым потенциалом для аналоговых и цифровых схем, а также для защиты от помех. В электронике различают понятия «земля» (ground, GND) как общий провод схемы, который не всегда физически соединён с грунтом. Такое «логическое» заземление необходимо для корректной работы микросхем, контроллеров и радиоаппаратуры.

¶Заземление и зануление

В российской электротехнической традиции различают заземление и зануление. Зануление — это преднамеренное соединение корпусов оборудования с глухозаземлённой нейтралью источника питания через нулевой защитный проводник. При занулении повреждение изоляции превращается в короткое замыкание, которое отключается автоматическим выключателем или предохранителем. Заземление же снижает потенциал корпуса относительно земли, но для отключения повреждённой цепи требуется устройство защитного отключения (УЗО). В современных системах TN зануление фактически является разновидностью защитного заземления.

¶Монтаж и обслуживание

Монтаж заземляющих устройств выполняется в соответствии с проектом. Основные этапы включают: подготовку траншеи, забивку вертикальных электродов, сварку соединений, прокладку горизонтального заземлителя и подключение к главной заземляющей шине (ГЗШ) в электрощите. Соединения выполняются преимущественно сваркой (для стальных элементов) или специальными болтовыми зажимами (для омеднённых штырей). Места сварки обязательно покрываются антикоррозионным битумным составом.

Периодичность проверки заземляющих устройств составляет не реже одного раза в год для электроустановок напряжением до 1 кВ. Проверка включает визуальный осмотр доступных элементов, проверку целостности соединений и измерение сопротивления растеканию тока специальными приборами (например, М416 или современными измерителями сопротивления заземления). При выявлении несоответствия нормам проводятся дополнительные работы по улучшению проводимости грунта (обработка солевыми растворами) или увеличение числа электродов.

¶Значение в современной технике

Заземление является обязательным элементом любой электроустановки согласно Правилам устройства электроустановок (ПУЭ) и Техническому регламенту Таможенного союза ТР ТС 004/2011 «О безопасности низковольтного оборудования». Отсутствие или неисправность заземления — одна из частых причин поражения электрическим током и выхода из строя бытовой техники. В системах с импульсными блоками питания заземление также обеспечивает подавление электромагнитных помех и отвод статического электричества.