Само по себе любое ЗУ в отрыве от общей системы заземления сети ничего не значит. Все эффективно работает только в комплексе.
До выхода в свет седьмого издания ПУЭ различали две системы заземления в электроустановках: с изолированной и глухозаземленной нейтралью. Но новое издание классифицировало системы заземления электроустановок (ЭУ) до 1000 В намного шире. Существовавшие до этого системы нарекли IT (изолированная) и TN-C (глухозаземленная). Но последнюю развернули шире, добавив TN-C-S и TN-S. Попробуем разобраться, зачем это было нужно.
Главной особенностью систем TN является непременное заземление нейтрали источника питания – генератора или трансформатора. Выполняется это в непосредственной близости от него. Если мы говорим про трансформаторные подстанции (ТП), то это нейтраль присоединяется к ее ЗУ. К сопротивлению растекания этого устройства предъявляются наиболее жесткие требования.
От подстанции до потребителя проложен кабель. В системе TN-C он четырехжильный, включает в себя три фазы и нулевой проводник. В современной терминологии последний называют PEN-проводником или совмещенным нулевым.
PEN соединяет между собой нейтраль трансформатора и одноименную шины в ВРУ потребителя. Без него невозможна организация питания однофазных абонентов сети. Но еще он соединяет между собой два ЗУ: нейтрали трансформатора и потребительское.
Отходящих от подстанции кабельных и воздушных линий может быть много. И к каждой присоединяются потребители, в перспективе – с собственными ЗУ. К тому же на отходящих воздушных линиях через каждые 200 м PEN-проводник должен быть дополнительно заземлен.
Поэтому при измерениях сопротивления заземляющего устройства нейтрали с подключенными абонентами получается меньшее значение, чем было получено при приемо-сдаточных испытаниях ЗУ в процессе строительства ТП.
Провести такое измерение после ввода ее в работу невозможно, так как нейтраль должна быть заземлена всегда. Исключение - полное погашение подстанции. Лишь тогда это измерение можно произвести.
В дальнейшем все корпуса электрических аппаратов также соединяются с ЗУ, но уже у потребителя. Простейший случай – когда ТП входит в состав цеха, который от нее питается. Там все может быть присоединено к единому устройству заземления.
При замыкании на корпус внутри любого электрического аппарата, будь то электродвигатель, кнопка управления или электрический шкаф, ток протекает через защитные проводники электроустановки и PEN-проводник к нейтрали трансформатора. Организуется путь для короткого замыкания, сверхтоки которого приводят к отключению защитных аппаратов, питающих аварийную цепь. Угроза ликвидируется.
Но так ли это? В зависимости от величины тока короткого замыкания (КЗ) в месте повреждения поведение защитного аппарата может быть разным. Если созданы условия для протекания тока, большего уставки отсечки, защита отработает мгновенно. Если же току недостаточно, начнет действовать тепловой расцепитель и отключение произойдет через некоторое время.
Посмотрим на путь протекания тока. Все проводники в его цепи имеют хоть и малое, но конечное значение. Чем дальше от источника питания, тем сечение кабелей меньше и сопротивление больше.
Примем потенциал заземлителя нейтрали за нулевой. Из схемы видно, что из-за конечного сопротивления PEN-проводника потенциал в точке однофазного замыкания относительно земли нулю не равен. Он будет существовать там все время, пока идет процесс отключения аварийного режима.
Если на земле рядом с поврежденным аппаратом будет стоять человек и касаться его корпуса, его безопасность будет под угрозой. Для устранения ее необходимо максимально снизить потенциал на корпусе, называемый напряжением прикосновения, относительно земли.
Ранее для этого, помимо наличия заземляющего устройства у потребителя, использовалась система защитных проводников, соединяющих корпуса с этим ЗУ. По периметру внутри производственного здания прокладывалась стальная полоса. К ней такими же полосами или гибкими поводками подключались корпуса электрооборудования.
Что касается электродвигателей, электрошкафов и прочего, все работало неплохо. Но вот корпуса осветительных приборов заземлялись не всегда. Либо их жестко подключали к нулевому проводнику (зануление), либо к окружающим заземленным металлоконструкциям. Но первый случай опасен, так как появление потенциала на нулевом проводнике автоматически переносит его на корпус аппарата. Поэтому старые светильники зачастую не заземлены, о чем необходимо помнить работникам электролабораторий при производстве измерений в производственных цехах.
Рост количества электробытовых приборов, имеющих металлические корпуса, вынудил пересмотреть существующую систему. В промышленном исполнении она еще как-то и была безопасной, но как притащить дополнительный проводник в розетку микроволновки? Использование же нулевых проводников электропроводок для цели заземления корпусов бытовых приборов опасно.
Эта опасность увеличивается еще по одной причине. По совмещенным нулевым проводникам PEN протекает еще и ток нагрузки. Согласно тому же закону Ома на этих проводниках относительно земли появляется некоторое напряжение. Оно увеличивается с удалением от источника питания, чему способствует еще и уменьшение сечения проводов и кабелей.
В итоге на PEN-проводниках наличие потенциалов уже само по себе не редкость. Вы можете в этом убедиться в собственной квартире, желательно в пик потребления мощности абонентами здания. Коснитесь однополюсным указателем нулевого контакта розетки. Если его чувствительности достаточно, он может слегка засветиться.
Про обрывы нулевых проводников в трехфазных сетях я пока умалчиваю, до следующих статей.
Таким образом напрашивается очевидный вывод: чтобы на корпусах не появлялись потенциалы при работе оборудования, нужно прекратить прохождение тока нагрузки по проводникам, соединяющим их с заземляющим устройством. То есть, разделить физически нулевые защитные и нулевые рабочие проводники.
Следующая статья: Системы заземления TN-S и TN-C-S