Система заземления (Великобритания и IEC) или система заземления (США) соединяют определенные части электроэнергетической системы с землей , обычно с проводящей поверхностью Земли, в целях безопасности и функциональности. [1] Выбор системы заземления может повлиять на безопасность и электромагнитную совместимость установки. Правила для систем заземления различаются в разных странах, хотя большинство из них следуют рекомендациям Международной электротехнической комиссии (МЭК). Правила могут определять особые случаи заземления в шахтах, зонах ухода за пациентами или в опасных зонах промышленных предприятий.
Помимо электроэнергетических систем, заземление может потребоваться и другим системам в целях безопасности или функционирования. Высокие конструкции могут иметь громоотводы как часть системы защиты от ударов молнии. Телеграфные линии могут использовать Землю в качестве одного из проводников цепи, что экономит затраты на установку обратного провода в длинной цепи. Для работы радиоантенн может потребоваться специальное заземление, а также для контроля статического электричества и обеспечения молниезащиты.
Существует три основные цели заземления:
Заземление системы служит цели электробезопасности всей системы, которая не вызвана электрической неисправностью. Его основная цель — предотвратить накопление статического электричества и защитить от скачков напряжения, вызванных ударами молнии или переключением поблизости. [2] Накопление статического электричества, вызванное, например, трением, например, когда ветер дует на радиомачту , рассеивается на Землю. [3] В случае перенапряжения грозовой разрядник , УЗИП или УЗИП отведут избыточный ток на землю до того, как он достигнет прибора. [4]
Системное заземление также позволяет обеспечить уравнивание потенциалов всех металлических конструкций для предотвращения разницы потенциалов между ними. [5] Использование Земли в качестве общей контрольной точки также ограничивает разность потенциалов электрической системы напряжением питания. [6]
Заземление оборудования служит цели электробезопасности при электрическом замыкании. Его основная цель – предотвратить повреждение оборудования и риск поражения электрическим током. С технической точки зрения этот тип заземления не является заземлением. [7] Когда ток течет от линейного проводника к заземляющему проводу, как в случае, когда линейный провод соприкасается с заземленной поверхностью в приборе класса I , необходимо использовать устройство автоматического отключения питания (ADS), такое как автоматический выключатель или УЗО автоматически разомкнет цепь, чтобы устранить неисправность . [8]
Функциональное заземление служит не только для электробезопасности, но и для других целей. [9] Примеры целей включают фильтрацию электромагнитных помех (ЭМП) в фильтре ЭМП и использование земли в качестве обратного пути в однопроводной системе распределения с заземлением.
В низковольтных сетях , распределяющих электроэнергию среди самого широкого класса конечных потребителей, основной задачей при проектировании систем заземления является безопасность потребителей, пользующихся электроприборами, и их защита от поражения электрическим током. Система заземления в сочетании с защитными устройствами, такими как предохранители и устройства защитного отключения, должна в конечном итоге гарантировать, что человек не вступит в контакт с металлическим предметом, потенциал которого относительно потенциала человека превышает безопасный порог , обычно установленный на уровне около 50 В. .
В большинстве развитых стран розетки на 220, 230 или 240 В с заземленными контактами были введены незадолго до или вскоре после Второй мировой войны, хотя и со значительными национальными различиями. Однако в США и Канаде, где напряжение питания составляет всего 120 В, розетки, установленные до середины 1960-х годов, обычно не имели заземляющего контакта. В развивающихся странах местная практика проводки может обеспечивать или не обеспечивать заземление.
В электрических сетях низкого напряжения с фазным напряжением от 240 до 690 В, которые в основном используются в промышленности, горнодобывающем оборудовании и машинах, а не в общедоступных сетях, конструкция системы заземления с точки зрения безопасности столь же важна, как и для бытовых сетей. пользователи.
С 1947 по 1996 год для плит (включая отдельные варочные панели и духовки) и с 1953 по 1996 год для сушилок для одежды Национальный электротехнический кодекс США разрешал использовать нейтральный провод питания в качестве заземления корпуса оборудования, если цепь возникла на главной сервисной панели. Это было разрешено для подключаемого и постоянно подключенного оборудования. Обычный дисбаланс в цепи приведет к созданию небольшого напряжения заземления оборудования, выход из строя нейтрального проводника или соединений позволит оборудованию перейти на полные 120 Вольт к земле, что представляет собой легко смертельную ситуацию. Издания NEC 1996 года и более поздние больше не допускают такой практики. По тем же причинам в большинстве стран в настоящее время введены специальные соединения защитного заземления в потребительской проводке, которые теперь стали почти универсальными. В распределительных сетях, где соединений меньше и они менее уязвимы, во многих странах разрешается использовать общий проводник для земли и нейтрали.
Если путь повреждения между случайно оказавшимися под напряжением объектами и источником питания имеет низкий импеданс, ток повреждения будет настолько велик, что устройство защиты от перегрузки по току (предохранитель или автоматический выключатель) разомкнется, чтобы устранить замыкание на землю. Если система заземления не обеспечивает металлический проводник с низким сопротивлением между корпусами оборудования и обратным проводом питания (например, в системе ТТ с отдельно заземленной системой), токи повреждения меньше и не обязательно приводят в действие устройство защиты от сверхтоков. В этом случае устанавливается устройство защитного отключения , которое обнаруживает утечку тока на землю и прерывает цепь.
Международный стандарт IEC 60364 различает три семейства устройств заземления с использованием двухбуквенных кодов TN , TT и IT .
Первая буква обозначает соединение земли с оборудованием электропитания (генератором или трансформатором):
Вторая буква указывает на соединение между землей или сетью и питаемым электрическим устройством:
В системе заземления TN одна из точек генератора или трансформатора соединена с землей, обычно это точка звезды в трехфазной системе. Корпус электрического устройства соединен с землей через это заземление на трансформаторе. Такое расположение является действующим стандартом для бытовых и промышленных электросистем, особенно в Европе. [10]
Проводник, соединяющий открытые металлические части электроустановки потребителя, называется защитным заземлением ( PE ; см. также: Заземление ). Проводник, который соединяется с точкой звезды в трехфазной системе или по которому протекает обратный ток в однофазной системе, называется нейтралью ( N ). Выделяют три варианта систем TN:
Можно использовать источники питания TN-S и TN-CS от одного и того же трансформатора. Например, оболочки некоторых подземных кабелей корродируют и перестают обеспечивать хорошее заземление, поэтому дома, в которых обнаружено «плохое заземление» с высоким сопротивлением, могут быть преобразованы в TN-CS. Это возможно только в сети, когда нейтраль достаточно устойчива к сбоям, а преобразование не всегда возможно. PEN должен быть соответствующим образом усилен на случай отказа, поскольку PEN с разомкнутой цепью может подавать полное фазовое напряжение на любой оголенный металл, подключенный к заземлению системы после разрыва. Альтернативой является обеспечение местного заземления и преобразование в ТТ. Основная привлекательность сети TN заключается в том, что заземляющий путь с низким импедансом обеспечивает легкое автоматическое отключение (ADS) в сильноточной цепи в случае короткого замыкания между линией и PE, поскольку один и тот же прерыватель или предохранитель будет работать как для LN, так и для L. - замыкания на землю, и УЗО не требуется для обнаружения замыканий на землю.
В системе заземления ТТ (лат. terra-terra) защитное заземление потребителя обеспечивается местным заземляющим электродом (иногда называемым соединением Terra-Firma), а на генераторе имеется еще один независимо установленный электрод. Между ними нет «заземляющего провода». Импеданс контура повреждения выше, и, если сопротивление электрода действительно не очень низкое, установка TT всегда должна иметь УЗО (GFCI) в качестве первого изолятора.
Большим преимуществом системы заземления ТТ является снижение кондуктивных помех от подключенного оборудования других пользователей. ТТ всегда был предпочтительнее для специальных применений, таких как телекоммуникационные объекты, где требуется помехозащищенное заземление. Также сети ТТ не несут серьезных рисков в случае обрыва нейтрали. Кроме того, в местах, где электроэнергия распределяется над головой, заземляющие проводники не подвергаются риску оказаться под напряжением, если какой-либо воздушный распределительный проводник будет сломан, скажем, упавшим деревом или веткой.
В эпоху до УЗО система заземления ТТ была непривлекательна для общего применения из-за сложности организации надежного автоматического отключения (АДС) в случае короткого замыкания линия на PE (по сравнению с системами ТН, где тот же выключатель или предохранитель сработает при неисправности LN или L-PE). Но поскольку устройства защитного отключения устраняют этот недостаток, система заземления ТТ стала гораздо более привлекательной при условии, что все силовые цепи переменного тока защищены УЗО. В некоторых странах (например, в Великобритании) ТТ рекомендуется в ситуациях, когда эквипотенциальную зону с низким импедансом нецелесообразно поддерживать путем соединения, где имеется значительная наружная проводка, например, для подачи питания в передвижные дома и некоторые сельскохозяйственные объекты, или где высокая неисправность течение может представлять и другие опасности, например, на складах топлива или пристанях для яхт.
Система заземления ТТ используется по всей Японии с устройствами УЗО в большинстве промышленных предприятий и даже дома. Это может налагать дополнительные требования на преобразователи частоты и импульсные источники питания , которые часто имеют мощные фильтры, пропускающие высокочастотный шум к заземляющему проводнику.
В сети IT (изолированная земля) электрическая распределительная система вообще не имеет заземления или имеет только соединение с очень высоким импедансом .
В то время как национальные правила электромонтажа зданий во многих странах соответствуют терминологии IEC 60364 , в Северной Америке (США и Канада) термин «заземляющий проводник оборудования» относится к заземлению оборудования и заземляющим проводам в ответвленных цепях, а также к «проводнику заземляющего электрода». используется для проводников, соединяющих заземляющий стержень, электрод или подобное с сервисной панелью. «Локальный» заземляющий электрод обеспечивает «заземление системы» [13] в каждом здании, где он установлен.
«Заземленный» токоведущий проводник является «нейтралью» системы. В стандартах Австралии и Новой Зеландии используется модифицированная система защитного многократного заземления (PME [14] ), называемая многозаземленной нейтралью (MEN). Нейтраль заземляется в каждой точке обслуживания потребителей, тем самым эффективно сводя разность потенциалов нейтрали к нулю по всей длине линий низкого напряжения . В терминологии IEC 60364 это называется TN-CS. В Северной Америке используется термин «система с многозаземленной нейтралью» (MGN). [15]
В Великобритании и некоторых странах Содружества термин «PNE», означающий «фаза-нейтраль-земля», используется для обозначения того, что используются три (или более для неоднофазных соединений) проводника, то есть PN-S.
Система заземления с сопротивлением используется в горнодобывающей промышленности в Индии в соответствии с правилами Центрального управления электроэнергетики . Вместо жесткого соединения нейтрали с землей используется резистор заземления нейтрали (NGR) для ограничения тока на землю до уровня менее 750 мА. Из-за ограничения тока короткого замыкания это безопаснее для загазованных шахт. [16] Поскольку утечка на землю ограничена, устройства защиты от утечки могут быть настроены на ток менее 750 мА. Для сравнения, в глухозаземленной системе ток замыкания на землю может быть равен доступному току короткого замыкания.
Заземляющий резистор нейтрали контролируется для обнаружения разрыва заземления и отключения питания в случае обнаружения неисправности. [17]
Чтобы избежать случайного удара током, в источнике используются схемы измерения тока для изоляции питания, когда ток утечки превышает определенный предел. Для этой цели используются устройства защитного отключения (УЗО, ВДТ или GFCI). Ранее использовался автоматический выключатель утечки на землю . В промышленности реле утечки на землю используются с отдельными трансформаторами тока с симметричным сердечником. [18] Эта защита работает в диапазоне миллиампер и может быть установлена от 30 мА до 3000 мА.
От системы распределения/питания оборудования в дополнение к проводу заземления проложен отдельный контрольный провод для контроля целостности провода. Используется в висячих кабелях горнодобывающей техники. [19] Если провод заземления поврежден, контрольный провод позволяет сенсорному устройству на стороне источника отключить питание машины. Этот тип цепи является обязательным для портативного тяжелого электрического оборудования (например, LHD (погрузочно-транспортная машина) ), используемого в подземных шахтах.
В сетях высокого напряжения (выше 1 кВ), которые гораздо менее доступны для населения, при проектировании системы заземления основное внимание уделяется не безопасности, а больше надежности электроснабжения, надежности защиты и воздействию на оборудование при наличии короткое замыкание. Выбор системы заземления существенно влияет только на величину коротких замыканий между фазой и землей, которые являются наиболее распространенными, поскольку путь тока в основном замыкается через землю. Трехфазные силовые трансформаторы высокого и среднего напряжения , расположенные на распределительных подстанциях , являются наиболее распространенным источником питания распределительных сетей, и тип заземления их нейтрали определяет систему заземления.
Существует пять типов заземления нейтрали: [26]
В глухой или напрямую заземленной нейтрали нейтраль трансформатора напрямую соединена с землей. В этом решении предусмотрен низкоомный путь замыкания токов замыкания на землю и, как следствие, их величины сравнимы с токами трехфазного замыкания. [26] Поскольку нейтраль остается под потенциалом, близким к земле, напряжения в незатронутых фазах остаются на уровнях, аналогичных доаварийным; по этой причине эта система регулярно используется в сетях передачи высокого напряжения , где затраты на изоляцию высоки. [27]
Для ограничения короткого замыкания на землю между нейтралью нейтральной точки трансформатора и землей добавляется дополнительный резистор заземления нейтрали (NER).
При низком сопротивлении предел тока повреждения относительно высок. В Индии ток ограничен 50 А для открытых карьеров в соответствии с Постановлениями Центрального управления электроэнергетики , CEAR, 2010, правило 100.
Система заземления с высоким сопротивлением заземляет нейтраль через сопротивление, которое ограничивает ток замыкания на землю до значения, равного или немного превышающего емкостный зарядный ток этой системы.
В незаземленной , изолированной или плавающей нейтральной системе, как и в системе IT, нет прямого соединения звезды (или любой другой точки в сети) и земли. В результате токи замыкания на землю не имеют пути замыкания и поэтому имеют пренебрежимо малую величину. Однако на практике ток повреждения не будет равен нулю: проводники в цепи, особенно подземные кабели, имеют собственную емкость по отношению к земле, что обеспечивает путь с относительно высоким импедансом. [28]
Системы с изолированной нейтралью могут продолжать работу и обеспечивать бесперебойное питание даже при замыкании на землю. [26] Однако, пока присутствует неисправность, потенциал двух других фаз относительно земли достигает нормального рабочего напряжения, создавая дополнительную нагрузку на изоляцию ; нарушения изоляции могут вызвать дополнительные замыкания на землю в системе, теперь уже с гораздо более высокими токами. [27]
Наличие непрерывного замыкания на землю может представлять значительную угрозу безопасности: если ток превышает 4–5 А, возникает электрическая дуга , которая может поддерживаться даже после устранения замыкания. [28] По этой причине они в основном ограничиваются подземными и подводными сетями, а также промышленными применениями, где потребность в надежности высока, а вероятность контакта с человеком относительно низка. В городских распределительных сетях с несколькими подземными фидерами емкостной ток может достигать нескольких десятков ампер, что представляет значительную опасность для оборудования.
Преимущество низкого тока повреждения и продолжения работы системы после этого компенсируется присущим ему недостатком, заключающимся в том, что место повреждения трудно обнаружить. [29]
Согласно стандартам IEEE, заземляющие стержни изготавливаются из таких материалов, как медь и сталь . Для выбора заземляющего стержня существует несколько критериев выбора, таких как: коррозионная стойкость, диаметр в зависимости от тока повреждения , проводимость и другие. [30] Существует несколько типов, полученных из меди и стали: медные, из нержавеющей стали, твердой меди, оцинкованной стали. В последние десятилетия были разработаны химические заземлители для низкоомных заземлений, содержащих природные электролитические соли. [31] и заземляющие стержни из наноуглеродного волокна. [32]
Соединители для заземляющей установки являются средством связи между различными составными частями заземляющих и молниезащитных установок (заземлителями, заземлителями, токоподводами, шинами и т.п.).
В установках высокого напряжения для подземных соединений применяется экзотермическая сварка .
Сопротивление почвы является основным аспектом при проектировании и расчете системы заземления/установки заземления. Его сопротивление определяет эффективность отвода нежелательных токов к нулевому потенциалу (земле). Сопротивление геологического материала зависит от нескольких компонентов: наличия металлических руд, температуры геологического слоя, наличия археологических или структурных особенностей, наличия растворенных солей и примесей, пористости и проницаемости. Существует несколько основных методов измерения сопротивления грунта. Измерение проводят двумя, тремя или четырьмя электродами. Методы измерения: полюс-полюс, диполь-диполь, полюс-диполь, метод Веннера и метод Шлюмберже.
