В электротехнике заземление и нейтраль (земля и нейтраль) являются проводниками цепи , используемыми в электрических системах переменного тока (AC). Нейтральный проводник получает и возвращает переменный ток в источник питания во время нормальной работы цепи ; чтобы ограничить влияние тока утечки из систем с более высоким напряжением, нейтральный проводник часто подключается к заземлению в точке питания. Напротив, заземляющий проводник не предназначен для передачи тока при нормальной работе, а вместо этого соединяет открытые металлические компоненты (такие как корпуса оборудования или каналы, охватывающие проводку) с заземлением. Заземляющий проводник проводит значительный ток только в случае неисправности цепи, которая в противном случае могла бы подать напряжение на открытые проводящие части и представлять опасность поражения электрическим током. В этом случае устройства защиты цепи могут обнаружить неисправность заземленного металлического корпуса и автоматически обесточить цепь или могут предупреждать о замыкании на землю.
При определенных условиях проводник, используемый для соединения с нейтралью системы, также используется для заземления (зануления) оборудования и конструкций. Ток, протекающий по заземляющему проводнику, может привести к появлению нежелательных или опасных напряжений на корпусах оборудования , поэтому установка заземляющих проводников и нейтральных проводников тщательно определена в электротехнических правилах . Если нейтральный проводник используется также для соединения корпусов оборудования с землей, необходимо следить за тем, чтобы нейтральный проводник никогда не поднимался до высокого напряжения относительно локальной земли.
Заземление или заземление в системе электропроводки сети ( переменного тока) — это проводник, который обеспечивает путь к земле с низким сопротивлением для предотвращения появления опасного напряжения на оборудовании (высоковольтные скачки). [ требуется ссылка ] Термины «земля» и «земля» используются в этом разделе как синонимы; «земля» чаще встречается в североамериканском английском, а «земля» чаще встречается в британском английском. В нормальных условиях заземляющий проводник не проводит ток. Заземление также является неотъемлемым путем для домашней электропроводки, поскольку оно заставляет автоматические выключатели срабатывать быстрее (т. е. GFCI ), что безопаснее. Добавление новых заземлений требует квалифицированного электрика со знаниями, специфическими для региона распределения электроэнергии.
Нейтраль — это проводник цепи, который обычно замыкает цепь обратно к источнику. NEC утверждает, что нейтральный и заземляющий провода должны быть подключены к нейтральной точке трансформатора или генератора или, в противном случае, к некоторой «нейтральной точке системы», но не где-либо еще. [1] Это касается простых установок с одной панелью; для нескольких панелей ситуация более сложная. В многофазной (обычно трехфазной ) системе переменного тока нейтральный проводник должен иметь аналогичное напряжение с каждым из других проводников цепи, но может проводить очень небольшой ток, если фазы сбалансированы.
Все нейтральные провода одной и той же заземленной (заземленной) электрической системы должны иметь одинаковый электрический потенциал, поскольку все они соединены через заземление системы. Нейтральные проводники обычно изолируются для того же напряжения, что и линейные проводники, с интересными исключениями. [2]
Нейтральные провода обычно подключаются к нейтральной шине в щитах управления или распределительных щитах и «присоединяются» к заземлению либо на входе в электроснабжение, либо на трансформаторах в системе. Для электроустановок с раздельными фазами (трехпроводная однофазная) служба нейтральная точка системы находится в центральном отводе на вторичной стороне трансформатора службы. Для более крупных электроустановок, таких как с многофазным обслуживанием, нейтральная точка обычно находится на общем соединении на вторичной стороне трансформаторов, соединенных треугольником/звездой . Другие схемы многофазных трансформаторов могут привести к отсутствию нейтральной точки и нейтральных проводников.
Стандарт МЭК ( IEC 60364 ) кодифицирует методы установки нейтральных и заземляющих проводников в здании, где эти системы заземления обозначаются буквенными символами. Буквенные символы распространены в странах, использующих стандарты МЭК, но североамериканская практика редко ссылается на символы МЭК. Различия заключаются в том, что проводники могут быть отдельными на всем протяжении от оборудования до заземления или могут быть объединены по всей или части своей длины. Для минимизации разницы напряжения между нейтралью и локальным заземлением используются различные системы. Ток, протекающий в заземляющем проводнике, будет вызывать падение напряжения вдоль проводника, и системы заземления стремятся гарантировать, что это напряжение не достигнет опасного уровня.
В системе TN-S между оборудованием и источником питания (генератором или трансформатором электросети) устанавливаются отдельные нейтральные и защитные заземляющие проводники. Нормальные токи цепи протекают только в нейтрали, а защитный заземляющий проводник соединяет все корпуса оборудования с землей, чтобы перекрыть любой ток утечки из-за неисправности изоляции. Нейтральный проводник подключается к земле в точке питания здания, но для тока цепи и защитного проводника не существует общего пути к земле.
В системе TN-C общий проводник обеспечивает как нейтральное, так и защитное заземление. Нейтральный проводник подключается к заземлению в точке питания, а корпуса оборудования подключаются к нейтрали. Существует опасность, что нарушенное соединение нейтрали позволит всем корпусам оборудования подняться до опасного напряжения, если в каком-либо оборудовании есть утечка или неисправность изоляции. Это можно смягчить с помощью специальных кабелей, но тогда стоимость будет выше.
В системе TN-CS каждая единица электрооборудования имеет как защитное заземление к своему корпусу, так и нейтральное соединение. Все они возвращаются в некоторую общую точку в системе здания, а затем из этой точки обратно к источнику питания и к земле создается общее соединение.
В системе TT не используется длинный общий защитный заземляющий проводник, вместо этого каждая единица электрооборудования (или распределительная система здания) имеет собственное подключение к заземлению.
Правило 41 индийского CEAR содержит следующие положения:
Паразитные напряжения, создаваемые в заземляющих проводниках токами, протекающими в нейтральных проводниках электросети, могут быть неприятными. Например, в коровниках, используемых для доения молочного скота, могут потребоваться специальные меры. Очень малые напряжения, обычно не воспринимаемые человеком, могут вызывать низкую продуктивность или даже мастит (воспаление вымени). [3] Так называемые «фильтры напряжения покалывания» могут потребоваться в системе распределения электроэнергии для доильного зала.
Подключение нейтрали к корпусу оборудования обеспечивает некоторую защиту от неисправностей, но может привести к возникновению опасного напряжения на корпусе, если соединение нейтрали будет нарушено.
Совмещенные нейтральные и заземляющие проводники обычно используются в электропроводке компаний-поставщиков электроэнергии , а иногда и для стационарной проводки в зданиях и для некоторых специальных применений, где мало альтернатив, например, на железных дорогах и трамваях . Поскольку обычные токи цепи в нейтральном проводнике могут привести к нежелательным или опасным различиям между локальным потенциалом земли и нейтралью, а также для защиты от обрывов нейтрали, необходимо принять особые меры предосторожности, такие как частое протягивание стержня к земле (подключение нескольких заземляющих стержней), использование кабелей, в которых объединенная нейтраль и земля полностью окружают фазный провод(ы), и более толстое, чем обычно, эквипотенциальное соединение, чтобы гарантировать безопасность системы.
В Соединенных Штатах корпуса некоторых кухонных плит (плит, духовок), варочных панелей , сушилок для одежды и других специально перечисленных приборов были заземлены через их нейтральные провода в качестве меры по сохранению меди из медных кабелей во время Второй мировой войны . Эта практика была удалена из NEC в издании 1996 года, но существующие установки (называемые «старой работой») все еще могут позволять корпусам таких перечисленных приборов быть подключенными к нейтральному проводнику для заземления. (Канада не приняла эту систему и вместо этого в то время и в настоящее время использует отдельные нейтральные и заземляющие провода.)
Эта практика возникла из трехпроводной системы , используемой для питания нагрузок как 120 В, так и 240 В. Поскольку эти перечисленные приборы часто имеют компоненты, которые используют либо 120, либо и 120, и 240 В, на нейтральном проводе часто присутствует некоторый ток. Это отличается от защитного заземляющего провода, который проводит ток только в условиях неисправности. Использование нейтрального проводника для заземления корпуса оборудования считалось безопасным, поскольку устройства были постоянно подключены к источнику питания, и поэтому нейтраль вряд ли была бы нарушена без нарушения обоих проводников питания. Кроме того, неуравновешенный ток из-за ламп и небольших двигателей в приборах был мал по сравнению с номиналом проводников и, следовательно, вряд ли мог вызвать большое падение напряжения в нейтральном проводнике.
В североамериканской и европейской практике малогабаритное портативное оборудование, подключенное с помощью набора шнуров, при определенных условиях может иметь только два проводника в вилке. Поляризованная вилка может использоваться для сохранения идентичности нейтрального проводника в приборе, но нейтраль никогда не используется в качестве заземления шасси/корпуса. Небольшие шнуры к лампам и т. д. часто имеют один или несколько формованных гребней или встроенных струн для обозначения нейтрального проводника или могут быть идентифицированы по цвету. Переносные приборы никогда не используют нейтральный проводник для заземления корпуса и часто имеют конструкцию с « двойной изоляцией ».
В местах, где конструкция вилки и розетки не может гарантировать подключение нейтрального проводника системы к определенным клеммам устройства («неполяризованные» вилки), переносные приборы должны быть спроектированы исходя из предположения, что любой полюс каждой цепи может достигать полного основного напряжения относительно земли.
В североамериканской практике оборудование, подключенное с помощью кабеля, должно иметь три провода, если оно питается исключительно от 240 вольт, или должно иметь четыре провода (включая нейтраль и заземление), если оно питается от 120/240 вольт.
В NEC есть специальные положения для так называемого технического оборудования, в основном профессионального аудио- и видеооборудования, питаемого так называемыми «сбалансированными» 120-вольтовыми цепями. Центральный отвод трансформатора подключен к земле, и оборудование питается двумя линейными проводами, каждый из которых имеет напряжение 60 вольт на землю (и 120 вольт между линейными проводниками). Центральный отвод не распределяется на оборудование, и нейтральный проводник не используется. В этих случаях обычно используется заземляющий провод, который отделен от защитного заземляющего провода специально для целей снижения шума и «гула».
Другая специализированная система распределения ранее была указана в зонах ухода за пациентами в больницах. Была предоставлена изолированная система питания от специального изолирующего трансформатора с целью минимизации любого тока утечки, который мог пройти через оборудование, напрямую подключенное к пациенту (например, электрокардиограф для мониторинга сердца). Нейтраль цепи не была подключена к земле. Ток утечки был вызван распределенной емкостью проводки и емкостью трансформатора питания. [4] Такие системы распределения контролировались постоянно установленными приборами, чтобы подавать сигнал тревоги при обнаружении высокого тока утечки.
Общая нейтраль — это соединение, в котором несколько цепей используют одно и то же нейтральное соединение. Это также известно как общая нейтраль , а цепи и нейтраль вместе иногда называют цепью Эдисона .
В трехфазной цепи нейтраль делится между всеми тремя фазами. Обычно нейтраль системы подключается к точке звезды на питающем трансформаторе. По этой причине вторичная сторона большинства трехфазных распределительных трансформаторов имеет звездообразную или звездообразную обмотку. Трехфазные трансформаторы и связанные с ними нейтрали обычно встречаются в промышленных распределительных средах.
Система может быть сделана полностью незаземленной. В этом случае замыкание между одной фазой и землей не вызовет значительного тока. Обычно нейтраль заземляется (заземляется) через соединение между нейтральной шиной и заземляющей шиной. В более крупных системах принято контролировать любой ток, протекающий через соединение нейтраль-земля, и использовать это в качестве основы для защиты от замыкания нейтрали.
Соединение между нейтралью и землей позволяет любому замыканию фазы на землю развить достаточный ток для «отключения» устройства защиты от сверхтока цепи. В некоторых юрисдикциях требуются расчеты для обеспечения достаточно низкого сопротивления контура короткого замыкания, чтобы ток короткого замыкания отключил защиту (в Австралии это упоминается в AS3000:2007 Расчет сопротивления контура короткого замыкания). Это может ограничить длину ответвленной цепи.
В случае, когда две фазы делят одну нейтраль, а третья фаза отключена, наихудший случай потребления тока — это когда одна сторона имеет нулевую нагрузку, а другая — полную нагрузку, или когда обе стороны имеют полную нагрузку. В последнем случае получается , или где — величина тока. Другими словами, величина тока в нейтрали равна величине тока в двух других проводах.
В трехфазной линейной цепи с тремя идентичными резистивными или реактивными нагрузками нейтраль не проводит ток. Нейтраль проводит ток, если нагрузки на каждой фазе не идентичны. В некоторых юрисдикциях допускается уменьшение размера нейтрали, если не ожидается неуравновешенного тока. Если нейтраль меньше фазных проводников, она может быть перегружена, если возникает большая неуравновешенная нагрузка.
Ток, потребляемый нелинейными нагрузками, такими как люминесцентное и HID освещение и электронное оборудование, содержащее импульсные источники питания, часто содержит гармоники . Токи тройной гармоники (нечетные кратные третьей гармоники) являются аддитивными, что приводит к большему току в общем нейтральном проводнике, чем в любом из фазных проводников. В самом худшем случае ток в общем нейтральном проводнике может быть в три раза больше, чем в каждом фазном проводнике. Некоторые юрисдикции запрещают использование общих нейтральных проводников при питании однофазных нагрузок от трехфазного источника; другие требуют, чтобы нейтральный проводник был существенно больше фазных проводников. Хорошей практикой является использование четырехполюсных автоматических выключателей (в отличие от стандартных трехполюсных), где четвертый полюс является нейтральной фазой и, следовательно, защищен от перегрузки по току на нейтральном проводнике.
В проводке с разделенной фазой, например, в дуплексной розетке на североамериканской кухне, устройства могут быть подключены с помощью кабеля, который имеет три проводника, в дополнение к заземлению. Три проводника обычно окрашены в красный, черный и белый цвета. Белый служит в качестве общей нейтрали, в то время как красный и черный каждый питает, по отдельности, верхнюю и нижнюю горячие стороны розетки. Обычно такие розетки питаются от двух автоматических выключателей, в которых ручки двух полюсов соединены вместе для общего отключения. Если одновременно используются два больших прибора, ток проходит через оба, а нейтраль несет только разницу в токе. Преимущество заключается в том, что для обслуживания этих нагрузок требуется всего три провода вместо четырех. Если один кухонный прибор перегружает цепь, другая сторона дуплексной розетки также будет отключена. Это называется многопроводной ответвленной цепью . Общее отключение требуется, когда подключенная нагрузка использует более одной фазы одновременно. Общее отключение предотвращает перегрузку общей нейтрали, если одно устройство потребляет больше номинального тока.
Заземление, которое отсутствует или имеет недостаточную емкость, может не обеспечить защитные функции, как предполагалось, во время неисправности подключенного оборудования. Дополнительные соединения между землей и нейтралью цепи могут привести к циркулирующему току в заземляющем контуре, блуждающему току, введенному в землю или в конструкцию, и блуждающему напряжению . [ требуется ссылка ] Дополнительные заземляющие соединения на нейтральном проводнике могут обойти защиту, предоставляемую прерывателем цепи замыкания на землю. Сигнальные цепи, которые полагаются на заземляющее соединение, не будут функционировать или будут иметь нестабильную функцию, если заземляющее соединение отсутствует.
