Понятие глухозаземленная нейтраль и отличия от изолированной

Определение эффективно заземленной нейтрали

ЭЗН применяется в высоковольтных сетях 110 кВ и более. В случае замыкания фазы на землю, представляет собой однофазное КЗ.

Оно сопровождается значительными токами в месте повреждения, в результате чего срабатывает система защиты с отключением напряжения. Дадим определение, что это такое.

Эффективно заземленная нейтраль — это заземленная нейтраль в сетях трехфазного напряжения выше 1000 В, коэффициент замыкания на землю которой ≤ 1,4.

На ниже приведенном рисунке представлена схема ЭЗН:

Это значит, что при однофазном замыкании на землю, напряжение других, не поврежденных фаз, увеличится на величину, не превышающую значения 1,4.

И рассчитывается по нижеприведенной формуле:

Это имеет большое значение для высоковольтных сетей. Т.к. при такой схеме напряжение неповрежденных фаз не значительно превышает номинальное. А это значит, что нет необходимости увеличивать изоляцию сетей и оборудования.

Эксплуатация сетей с ЭЗН будет обходиться значительно дешевле. При этом следует учитывать, что экономия увеличивается по мере возрастания напряжения в линии.

Что такое заземление и зачем оно нужно?

Заземляющие устройства представляют собой преднамеренное соединение проводниками электрического типа различных точек электросети.

Назначение заземления заключается в предотвращении воздействия электрического тока на человека. Ещё одно назначение защитного заземления — отведение напряжения с корпуса электроустановки через устройство заземления на землю.

Основная цель применения заземления — снижение уровня потенциала между точкой, которая заземляется и землёй. Тем самым понижается сила тока до наименьшего уровня и уменьшается количество поражающих факторов при соприкосновении с деталями электрических приборов и установок, в которых произошел пробой на корпус.

Виды систем искусственного заземления

Основным документом, регламентирующим использование различных систем заземления в России, является ПУЭ (пункт 1.7), разработанный в соответствии с принципами, классификацией и способами устройства заземляющих систем, утвержденных специальным протоколом Международной электротехнической комиссии (МЭК). Сокращенные названия систем заземления принято обозначать сочетанием первых букв французских слов: «Terre» — земля, «Neuter» — нейтраль, «Isole» — изолировать, а также английских: «combined» и «separated» – комбинированный и раздельный.

• T — заземление.
• N — подключение к нейтрали.
• I — изолирование.
• C — объединение функций, соединение функционального и защитного нулевых проводов.
• S — раздельное использование во всей сети функционального и защитного нулевых проводов.

В приведенных ниже названиях систем искусственного заземления по первой букве можно судить о способе заземления источника электрической энергии (генератора или трансформатора), по второй – потребителя. Принято различать TN, TT и IT системы заземления. Первая из которых, в свою очередь, используется в трех различных вариантах: TN-C, TN-S, TN-C-S. Для понимания различий и способов устройства перечисленных систем заземления следует рассмотреть каждую из них более детально.

Требования ПУЭ

Необходимые сведения находятся в отдельной главе 1.7 Правил. Там отмечено, что отдельные нормы применяются по отношению к электрическим установкам до и свыше одной тысячи вольт. Далее стоит подробнее рассмотреть бытовую сеть с напряжением 220 V.

Здесь используется однофазный источник тока.  Заземлитель подсоединяется к одному из электрических выводов данного устройства с помощью специального проводника. Чтобы сократить путь прохождения тока и снизить затраты, выбирают место поблизости от генерирующего оборудования (трансформатора).

Аналогичное количество подсоединений делают к металлическим каркасам, установленным в глубине земли. Только так система заземления будет работать эффективно и достаточно надежно.

Если источником питания устройства являются трансформаторы, расположенные на разных этажах строения, то подсоединение к нейтрали выполняется с помощью отдельного проводника. Его подключают дополнительно к металлическому каркасу здания.

В первом и во втором вариантах из цепи исключают плавкие вставки и другие элементы, способные нарушить ее целостность. Принимают дополнительные меры, препятствующие случайным или намеренным повреждениям с применением механических воздействий.

Другие ограничения, отмеченные в Правилах:

1. Если в шине PEN (общие нулевые проводники, рабочий и защитный) стоит токовый трансформатор, то проводник заземлителя крепится непосредственно за этим устройством, к нейтрали.
2. Электрическое сопротивление устройства заземления в однофазной сети 220V ограничено максимальным значением 4 Ом (п. 1.7.104. Правил). Исключением являются особые характеристики земли, создающие высокое сопротивление (удельная величина, более 100 Ом на 1 м.).
3. Если имеются воздушные линии электропередач, то на вводных и концевых частях устанавливаются дублирующие заземлители. Это позволяет защитной системе работать эффективно. Но такое правило применяют только тогда, когда нет необходимости в установке большего количества устройств, способных устранить чрезмерные напряжения в сети при ударах молний.
4. Чтобы не ошибиться, надо использовать нормативы по минимально допустимым размерам и материалам проводников, использующихся для систем заземления (повторного типа), проложенных в земле. Так, например, если применяется уголок из черной стали, толщина стенки должна составлять 4 мм или более. Регламентируется общая площадь поперечного сечения для заземляющих проводников, которые подсоединяются к главной шине (п. 1.7.117 Правил):
   

• 75 мм2, если используется сталь;
• 16 мм2 – алюминий;
• 10 мм2 – медь.

1. Автомат, который устанавливается для защиты схемы TN, должен обладать быстродействием по короткому замыканию не менее 0,4 секунды при напряжении 220 V.

Если изучить другие виды сетей, то можно выяснить, что при повышении номинального напряжения, разрешенное электрическое сопротивление устройства заземления должно быть ниже. Такое требование разумно, ведь главным является обеспечение хорошего уровня безопасности. При меньшем сопротивлении в случае аварии на заземленном корпусе образуется относительно небольшой потенциал, система защиты выполнит свою функцию достаточно эффективно.

Подобные рассуждения можно использовать и при изучении работы защитных устройств. Если возник соответствующий разряд, то в сети должны образоваться существенные изменения. При повышении напряжения потребляемой мощности и низком рабочем электрическом сопротивлении требования к заземлению строже. Чрезмерное сопротивление этой цепи способно снизить амплитуду колебаний в сети, автоматы не смогут сработать достаточно быстро либо вовсе не отключат питание.

Теперь стоит перейти к бытовой сети 220 V и пункту 7.1.36. Правил. В нем определена необходимость прокладки сетей от общих щитков к устройствам потребителей тремя проводами (одним фазным, нулевыми рабочим и защитным). Последний – это и есть глухозаземленная нейтраль. Между тем, если провести эксперимент и взглянуть на собственные розетки в квартире, то многие люди заметят там отсутствие такого контакта.

Для эффективной защиты в таких условиях заземление требуется. В новых качественных домах оно монтируется стандартно. В старых квартирах внимательные хозяева устанавливают его при выполнении капитальных ремонтов. При определении параметров проводки используют нормативы Правил для проводников, изготовленных из разных металлов (п. 7.1.45).

Плюсы и минусы схем

Внимательное изучение описания этой схемы позволяет понять, что она выполняет свои функции эффективно при уровне номинального напряжения между фазой и нейтралью. С ее помощью обеспечивается быстрое срабатывание типовых устройств защиты от перегрузок. При коротком замыкании образуются мощные электромагнитные колебания, способные стать причиной дополнительных аварий и разрушений.

Использование в сетях ниже тысячи вольт

Эффективно заземленная нейтраль применяется в основном в сетях с напряжением в 110 В. и более. Однако, допустимо применять в сетях ниже тысячи вольт, где нет, и не предвидится применение приборов, у которых имеется опасность возникновения пожара. Или отсутствуют устройства, у которых может повредиться электрооборудование или возникнуть взрыв.

В последнее время такие электросхемы получили распространение в городских электросетях. Что имеет смысл при коэффициенте тока короткого замыкания на землю меньше единицы. Это дает возможность использовать кабель, рассчитанный на напряжение 6 КВ использовать в сети 10 КВ. Что позволяет увеличить передаваемую мощность на величину 1,73 без замены кабеля и коммутационной аппаратуры.

Зачем нужен ноль в электричестве

Нуль замыкает электрическую цепь. Без этого провода в цепи не может быть электрического тока, который и дает мощность для питания бытовых приборов. По сути, нулевой провод — это земля.

Откуда берется ноль в электросети

Начало свое нуль берет от комплектной трансформаторной подстанции 6(10)/0,4 кВ, где трансформатор своей нулевой шиной соединен с контуром заземления. Изначально именно земля является проводником с нулевым потенциалом, и именно поэтому многие путают нуль с землей. ВЛ (воздушная линия электропередачи), выходя из КТП, имеет 4 провода — 3 фазы и нуль, который в начале линии соединен с нулем трансформатора. На протяжении воздушной линии через одну опору производится повторное заземление, которое дополнительно связывает нуль линии с землей, что дает более полноценную связь цепи «фаза — нуль» для того, чтобы у конечного потребителя в розетке было не менее 220В.

Фаза, ноль и земля в проводе

Зачем нужен нуль

Основное назначение нулевого провода — замыкание цепи для создания электрического тока для работы любого электроприбора. Ведь для того, чтобы ток появился, необходима разность потенциалов между двумя проводами. Нуль потому так и называется, что потенциал на нем равен нулю. Отсюда и уровень напряжения 220В — 230В.

Электроустановки с каким напряжением следует заземлять?

Сошлюсь на стандарт МЭК364-4-41-1992 (я не уверен, что он не устарел). Я его изобразил графически.

Компенсированная нейтраль

Большие емкостные токи ОЗЗ приходится снижать. Для этого сеть с изолированной нейтралью дополняется установкой компенсации. В состав ее входит силовой трансформатор с первичной обмоткой, соединенной в звезду и имеющей вывод нейтрали. Вторичная обмотка его иногда не используется, а может питать какую либо нагрузку.

Нейтраль трансформатора установки компенсации заземляется через дугогасящую катушку (катушку Петерсона), представляющую собой реактор с изменяемой индуктивностью.

Обмотка его находится на магнитопроводе и помещена в бак с маслом, как у обычного трансформатора. Регулировка индуктивности осуществляется либо переключением отводов, либо путем изменения зазора в магнитопроводе. В сетях 35кВ распространен способ подключения катушки непосредственно к нейтрали силового трансформатора. Настройка катушки возможна в резонанс с емкостью сети, но тогда ток ОЗЗ исчезает совсем. Его не зафиксировать стандартными элементами защиты, состоящими из ТТНП и токового реле, реагирующего на ток нулевой последовательности.

Чтобы защита работала, используют режим работы катушки с перекомпенсацией. Но использование компенсированного заземления не избавляет сеть от опасных перенапряжений, не устраняет проблему ферромагнитного резонанса. Оно всего лишь снижает токи ОЗЗ.

Про ферромагнитный резонанс смотрите в видео ниже:

Но и это может обратиться во вред: неразвившееся повреждение в кабельной линии в дальнейшем сложнее найти.

Тем не менее, установки компенсации встраиваются во все разветвленные и протяженные сети 6-35 кВ РФ.

Основные понятия.

Сила
тока—
скалярная физическая величина, равная
отношению заряда, прошедшего через
проводник, ко времени, за которое этот
заряд прошел.

где I—
сила тока,q—величина
заряда (количество электричества),t—
время прохождения заряда.

Плотность
тока—
векторная физическая величина, равная
отношению силы тока к площади поперечного
сечения проводника.

где j—плотность
тока,  S— площадь
сечения проводника.

Направление
вектора плотности тока совпадает с
направлением движения положительно
заряженных частиц.

Напряжение — скалярная
физическая величина, равная отношению
полной работе кулоновских и сторонних
сил при перемещении положительного
заряда на участке к значению этого
заряда.

гдеA—полная
работа сторонних и кулоновских сил,q—
электрический заряд.

Электрическое
сопротивление—
физическая величина, характеризующая 
электрические свойства участка цепи.

гдеρ—
удельное сопротивление проводника,l—длина
участка проводника,S—площадь
поперечного сечения проводника.

Проводимостьюназывается
величина, обратная сопротивлению

где G—проводимость.

2 типа устройств заземления, разработанные по научным рекомендациям для частного дома

Домашние мастера, начитавшись упрощенных рекомендаций в интернете, часто допускают серьезные ошибки при монтаже контура ЗУ своими руками. Важно понимать, что надежно обеспечить электрическую безопасность жилища могут только конструкции, отвечающие требованиям научных разработок.

Для самостоятельного изготовления контура необходимо выполнить требования ПУЭ, изложенные в главе 1.7.

Потребуется рассчитать его размеры и заглубление конкретно под ваши условия местности, исходя из круглогодичного состояния сопротивления почвы и ряда других факторов. Им нельзя придавать какие-то усредненные значения.

После монтажа контура потребуется выполнить контрольные замеры и при необходимости внести коррективы в конструкцию. Возможно, придется доставлять дополнительный электрод.

Однако этот процесс можно значительно упростить. Современная промышленность выпускает модульное штыревое заземление, продаваемое готовым для сборки комплектом.

Его монтаж на большую глубину выполняется относительно просто за счет применения специальных мощных перфораторов.

Штыревое заземление монтируется довольно быстро, но его приобретение обходится дороже.

Обе технологии сборки этих ЗУ у меня расписаны отдельной статьей на блоге. Приглашаю ознакомиться.

Особенности глухого заземления

Заземление нейтрали в глухом режиме предусмотрено для четырехпроводных сетей переменного тока. В таких случаях выполняется глухое заземление нулевых выводов силовых трансформаторов. Соединяются все части, подлежащие заземлению и нулевой заземленный вывод. Нулевой провод должен быть цельным, без предохранителей и каких-либо разъединяющих приспособлений.

В качестве глухозаземленной нейтрали воздушных линий с напряжением до 1 киловольта используется нулевой провод, прокладываемый вместе с фазными линиями на тех же опорах.

Все ответвления или концы воздушных линий, длиной свыше 200 метров подлежат повторному заземлению нулевого провода. То же самое касается вводов в здания, где имеются установки, подлежащие заземлению. В качестве естественных заземлителей могут использоваться железобетонные опоры, а также заземляющие устройства, защищающие от грозовых перенапряжений.

Таким образом, изолированная и глухозаземленная нейтраль обеспечивает нормальную работу релейной защиты генераторов и трансформаторов. Кроме того, они надежно защищают людей от поражения электрическим током.

Источники помех на шине Земля

Все помехи, воздействующие на кабели, датчики, исполнительные механизмы, контроллеры и металлические шкафы автоматики, в большинстве случаев протекают и по заземляющим проводникам, создавая паразитное электромагнитное поле вокруг них и падение напряжения помехи на проводниках.

Источниками и причинами помех могут быть молния, статическое электричество, электромагнитное излучение, «шумящее» оборудование, сеть питания 220 В с частотой 50 Гц, переключаемые сетевые нагрузки, трибоэлектричество, гальванические пары, термоэлектрический эффект, электролитические процессы, движение проводника в магнитном поле и др. В промышленности встречается много помех, связанных с неисправностями или применением не сертифицированной аппаратуры. В России уровень помех регулируются нормативами — ГОСТ Р 51318.14.1, ГОСТ Р 51318.14.2, ГОСТ Р 51317.3.2, ГОСТ Р 51317.3.3, ГОСТ Р 51317.4.2, ГОСТ 51317.4.4, ГОСТ Р 51317.4.11, ГОСТ Р 51522, ГОСТ Р 50648. На этапе проектирования промышленного оборудования, чтобы снизить уровень помех, применяют маломощную элементную базу с минимальным быстродействием и стараются уменьшить длину проводников и экранирование.

Виды систем заземления

Основным способом защиты от поражения электрическим током является применение одной из систем заземления. В главе 1.7 ПУЭ перечисляются пять типов таких устройств:

• TN-C;
• TN-C-S;
• TN-S;
• TT;
• IT.

Любая из этих систем надёжно защищает людей в условиях городской квартиры или частного дома, но имеет свои конструктивные и защитные отличия.

Применение конкретного вида защиты в особых условиях регламентируется ПУЭ и связано с особенностями помещений и электроустановок.

Информация! Установка заземления обязательна во всех новых зданиях и желательна при ремонте старых сооружений.

Выбор системы заземления производится на стадии проектирования здания и электропроводки до начала монтажных работ.

Фаза и нуль в электрике

Электроэнергия появляется в результате упорядоченного движения заряженных частиц в проводах — электронов. Рождаются эти электроны в огромных электростанциях — таких как, например, Волгоградская ГРЭС (гидроэлектростанция), Нововоронежская АЭС (атомная электростанция) и многих других в нашей стране. Далее по очень толстым проводам эта энергия передается на промежуточные подстанции (как правило, такие стоят по периферии городов), а от них — до местных КТП (комплектная трансформаторная подстанция), которые есть почти в каждом дворе.

Линия электропередач

Уровни напряжения в таких сетях варьируются от 750000 вольт до 380 вольт в конечной КТП. И именно последние делают так, что в розетке обычного дома появляется 220В. Казалось бы, все просто, но! В розетке находятся два провода. И из уроков физики каждый знает, что в электрике есть «фаза» и «нуль». Эти два слова дают нам свет, тепло, воду, газ и многое другое, чем мы пользуемся каждый день. Теперь по-порядку.

КТП

Как распознать фазные и защитные проводники

Фазные проводники несут в себе потенциал относительно земли, равный 220 В (фазному напряжению). Прикосновение к ним опасно для жизни. Но на этом основан способ их распознавания. Для этого применяется прибор, называемый однополюсным указателем напряжения или индикатором. Внутри него расположены последовательно соединенные лампочка и резистор. При прикосновении к «фазе» индикатором ток протекает через него и тело человека в землю. Лампочка светится. Сопротивление резистора и порог зажигания лампочки подобраны так, чтобы ток был за гранью чувствительности человеческого организма и им не ощущался.

Конструкция однополюсного указателя напряжения

Почему отгорает нулевой провод?

Потому что ток через него идёт. Отгорает он обычно в местах некачественно сделанных соединений. Если сопротивление соединения велико, на нём начинает выделяться тепло. От тепла соединение окисляется, сопротивление его ещё больше увеличивается, оно греется ещё сильнее. Если процесс пошёл, рано или поздно провод отгорит. Запомните нехитрую премудрость: чем больше площадь контакта, тем соединение надёжнее. И если скрутка длиной 1 см. отгорит через месяц, 2 см. – через год, то длиной 5 см. и длиннее будет служить (может быть) вечно. Сделайте скрутку подлиннее, вам чё, провода, чтоли, жалко? Для надёжности можно ещё накрутить на скрутку кусочек неизолированного провода. Ещё лучше пропаять или сварить скрутку. Сейчас в ходу специальные колпачки, накручиваемые на соединения – “СИЗы”. Сами по себе они только увеличивают надёжность соединения, но в то, что достаточно накрутить СИЗ, и надёжность обеспечена, я не верю. Тщательно зачищайте соединяемые поверхности (напильником, ножом), но не наждачной бумагой (её зёрна могут ухудшить качество соединения). Когда делаете петлю провода под болтовое (винтовое) соединение, шваркните её несколько раз напильником (надфилем), чтобы площадь контакта больше была. Затяните винт или болт до упора, через них ток пойдёт. Позаботьтесь, чтоб соединение не ослабло со временем. Используйте хорошую, не ржавую и не окисленную шайбу, а также шайбу Гровера. Не соединяйте непосредственно медные и алюминиевые провода, используйте для этого (стальные) зажимы.
Наверх

Эта работа в формате PDF

На домашнюю страницу

Меры предосторожности

Задача и особенности заземления трансформаторов.

Теперь разберём, для чего выполняется заземление нейтрали трансформатора, и физику работы такой электрической сети.

В теоретической физике потенциал нулевого проводника по отношению к земле не должен превышать нулевого значения. Повторное заземление у принимающего устройства потребителя помогает добиться этого значения с ещё более высокой степенью вероятности, особенно, если до ТП есть достаточное расстояние.

Поражение током возможно в следующих ситуациях:

1. Повреждение изоляции токоведущих частей, выход из строя электрооборудования. Образуется шаговое напряжение – на плоскости пола появляется потенциал, небезопасный для идущего человека;
2. Повреждение изоляции электрооборудования. В этом случае на корпусе может оказаться опасное для здоровья напряжение;
3. Повреждение защитной изоляции кабелей. Здесь напряжение появляется на металлических полках, с лежащими кабельными линиями;
4. Нарушение технологии производства работ, приведшее к прикосновению к токоведущим частям, находящимся под фазным напряжением.

К включенному в сеть проводу, лежащему на влажном полу, подходить не рекомендуется. В этой ситуации появляется потенциал, опасный для человека. При попытке сделать шаг ноги оказываются под действием различных величин потенциала. Удар током обеспечен. Для избегания подобного развития событий перед заливкой бетона укладывается металлический каркас, соединённый с контуром заземления минимум в 2-х точках. За счёт этого при возникновении на полу потенциала ноги идущего человека будут зашунтированы, поражения электрическим током удастся избежать.

Для недопущения появления напряжения на нетоковедущих частях электрической системы ПУЭ обязывает заземлить абсолютно все металлические детали, находящиеся в распредустройствах трансформаторных подстанций и потребителя, а также корпуса электроприборов. В промышленных цехах, где присутствует электрическое оборудование (станки, производственные линии), по периметру пускается стальная полоса для присоединения всех без исключения металлсодержащих частей. Таким образом, выравниваются потенциалы земли и металлических частей, расположенных в помещении.

При возникновении пробоя на заземлённый корпус электрический ток пойдёт по пути наименьшего сопротивления, т.е. по заземляющим проводникам до контура заземления, а не через обладающее большим сопротивлением человеческое тело, даже при не сработавшей защите.

Меры предосторожности при работе в сети с глухозаземленной нейтралью

По этой причине ток через контур заземления направится в сторону нейтрали силового трансформатора. Это приводит к короткому замыканию с большой величиной электрического тока. На превышение заданного параметра должен будет среагировать защитный коммутационный аппарат: плавкая вставка или автоматический выключатель. За счёт этого повреждённый участок цепи будет выведен из работы. Таким образом, организуется быстрая локализация аварийного режима.