Земля в электротехнике

Земля в электротехнике

Землей называют точку цепи, электрический потенциал которой считается равным нулю. Такую точку можно выбирать условно. Землей ее называют традиционно, поскольку один из проводников электрических генераторов соединяли с землей при помощи зарытого в землю проводника. Электрикам-профессионалам и тем, кто имеет дело с электричеством необходимо знать, что такое фаза и что такое ноль.

Ток в цепи

Электрический ток может протекать только в замкнутом контуре. Электрическая цепь состоит из источника Э. Д. С. – электродвижущей силы и замыкающего этот источник сопротивления нагрузки, которое может быть очень разветвленным. Если говорить о бытовой электросети, то здесь источником ЭДС является вторичная обмотка трансформатора ближайшей подстанции, или еще проще, таким источником является ввод в здание.

Трехфазная система типа звезда

Один из проводов источника заземлен, этот провод (или шина) называется нейтралью, N, в современной электротехнике. Потенциал этой шины относительно земли равняется нулю, поэтому этот провод называют землей.

Другие три провода называют фазами. Эти провода находится под переменным потенциалом, который меняется от 311 до -311 Вольт относительно земли в сети 220 В 50 Гц (50 раз в секунду). 220 Вольт – это, так называемое, действующее напряжение. Для тока и напряжения синусоидальной формы это среднеквадратичное значение. Это напряжение называют фазным.

Напряжение между двумя фазами называют линейным и оно выше: 380-400 В. Таким образом, размах напряжения в трехфазной сети может достигать величины 760-800 В. Поэтому электроинструмент должен уверенно выдерживать испытательное напряжение не менее 1 кВ = 1000 Вольт.

При замыкании фазы на ноль через какое-либо сопротивление в цепи течет ток. Еще больший ток через то же сопротивление потечет, если оно будет подключено между двумя фазами. В трехфазной цепи у конечных потребителей обычно действующее напряжение между фазами 380 В, а фаза и ноль образуют пару, напряжение на которой всегда равно напряжению между фазами, деленному на квадратный корень из числа 3. Это один из результатов теоретической электротехники. Отсюда и получается известная всем величина 220.

История заземления

В самых старых системах бытового электроснабжения переменного тока, которых теперь уже не найдешь, у конечного потребителя заземления не было (система TT, заземлялась только нейтраль на подстанции, если вторичная обмотка трансформатора соединялось звездой).

Это была однофазная сеть, распределяющаяся ток от понижающей обмотки трансформатора подстанции. Здесь вопрос о том, что такое фаза или нулевой провод даже не возникал – оба провода по отношению к земле были равноправными. Человек мог стоять на земле и держаться за любой из проводов по отдельности. При этом он ничего не чувствовал.

Наиболее старые трансформаторы, питающие однофазную сеть, имели схему, показанную на следующем рисунке. Первичные обмотки соединялись треугольником, нейтрали не было, и заземлялся только корпус трансформатора на месте установки. Теперь таких уже давно нет или они применяются где-то для полевых условий в сельском хозяйстве.

Понижающий трансофрматор 6/0,4

Поражение током происходило, если человек дотрагивался до двух проводов одновременно или, если один из проводов был кем-либо заземлен, а человек дотрагивался до другого. Старые электроплитки делались с открытой спиралью, люди готовили в металлической посуде и касались токоведущих частей. Старые телевизоры, например, изготавливались с автотрансформатором ради простоты конструкции и человек, дотрагиваясь до металлического шасси такого аппарата, фактически находился под напряжением сети.

Проблема возникла, когда жилой сектор стал снабжаться промышленным способом подключения (как на первом рисунке). Это произошло потому, что мощность, потребляемая частным сектором, значительно выросла, а в городах он фактически был перемешан с промышленностью (дома-хрущевки).

Тогда человек, стоящий на влажном полу, или держащийся за батарею, получал сильное поражение током с вероятностью 50%, в зависимости от того, как он включил вилку электроприбора в розетку. Если фаза тока попадала на шасси такого старого телевизора или радиоприемника, то прикосновение к нему было опасно для жизни.

Промышленность в области ширпотреба быстро перешла на производство нагревательных приборов с закрытым и изолированным нагревательным элементом (ТЭНы), а бытовые радио и телевизионные приборы стали производить исключительно с трансформаторами, где первичная обмотка была полностью изолирована от остальной части прибора, что сделало их безопасными для людей.

Но почему появилось заземление в промышленности? Нам надо рассмотреть и этот вопрос. В принципе, ни для работы потребителей, ни для транспортировки электроэнергии ничего заземлять не требуется.

Трехфазная система переменного тока была принята только потому, что это упрощало конструкцию электродвигателей, так необходимых станкам и машинам в промышленности. По трехфазной схеме в треугольник можно соединять и нагревательные приборы, пример тому – тэны, рассчитанные на 380 В.

Трехфазные системы могут соединяться звездой (первый рисунок). Такое соединение стало очень распространенным, так как оно позволяет без больших проблем питать трехфазные потребители напряжением 380 В, и в то же время, без лишних расходов устроить однофазные сети 220 В. Это хороший способ сэкономить на трансформаторах.

Система TN-C

Так появился проводник, который назвали нейтралью (N). Его также называют – нулевой провод. При равном токе по всем фазам ток в нулевом проводе равен нулю. Энергетики стараются распределить нагрузку равномерно. Но это не всегда получается. Вот простой пример. Пусть на заводе был запитан офисный корпус. Для этого была выделена одна фаза.

Затем к этой же фазе подключили жилой дом недалеко. Остальные две фазы оказываются неуравновешены и в нейтрали появляется значительный ток. Это приводит ко всякого рода неопределенностям при измерениях. К тому же, как бы ровно не распределили нагрузку, на корпусах электрооборудования появляются опасные напряжения, если нейтраль оборвана.

Начало TN

В 1913 году немецкий концерн AEG предложил систему с заземленной нейтралью, позже названную TN-C. Здесь электрики стали использовать понятия фаза и ноль. Позже, в 1930-х годах появилась система TN-S, в которой заземление и нейтраль были разделены. Это дополнительно увеличивало безопасность, так как теперь, если нулевой провод оборван с очень высокой вероятностью оставался целым другой проводник. Но такая система оказывалась неоправданно дорогой.

Система TN-S

Поэтому, со временем было предложено еще одно решение: нулевой провод от подстанции (PEN – защитная земля и нейтраль) расщеплялся на две части перед вводом в здание. Одна часть шла как нейтраль N, а другая получила название защитной земли PE. Если происходил обрыв нейтрали то фаза переменного тока, в случае попадания на корпус электрооборудования, пропускала свой ток в землю. Такая система получила название TN-C-S (заземленная нейтраль комбинированная, с разделением на месте).

Система TN-С-S

Система TN-C-S имеет всего один недостаток – местное заземление должно быть повышенной надежности так как при обрыве нейтрали фазное напряжение, попавшее на корпус, будет заземлено только по цепи PE. Поэтому, при сооружении этой цепи принимают все меры по ее механической прочности и снижению электрического сопротивления.

Система TT

Для этого используют металлические части зданий, трубопроводы и т.д. Однако все эти части соединяются всего в одной точке при помощи шин. Существует точка (шина) где ноль и земля соединяются, она называется шина уравнивания потенциалов. С ней соединяется и шина контура заземления.

В настоящее время TN-C-S является основной в городах и на предприятиях. В сельской местности еще много систем TT. Это связано с тем, что в сельской местности еще много деревянных домов и TT, при всех прочих недостатках имеет положительную сторону: она безопаснее в отношении грозы.