Одна из самых сложных и запутанных тем в электромонтаже — зануление и заземление. В чем их отличие? Каковы определения понятий заземления и зануления? Всегда ли правильно и к месту используются эти термины? Попробуем рассмотреть тему более подробно.
Устройство генератора переменного тока
Рамка с витками провода в поле магнита — простейший генератор переменного тока. Если рамку с намотанной на ней катушкой вращать, переменный магнитный поток в контуре рамки будет создавать в обмотке переменный ток синусоидальной формы. Это простейший генератор переменного тока. Именно так устроены генераторы на электростанциях. Ротор (рамка) вращается в магнитном поле статора.
Ротор приводится в движение: потоком воды в гидроэлектростанциях, ветром в ветрогенераторах, паровой турбиной в тепловых и атомных электростанциях, двигателем внутреннего сгорания в бензиновых и дизельных генераторах. Принцип один и тот же — преобразование механической энергии вращения в переменный электрический ток. Стандартная частота переменного тока в РФ — 50 Гц. То есть ротор генератора делает строго 50 оборотов в секунду или 3000 оборотов в минуту. Частота переменного тока поддерживается с точностью ±2%.
Многофазные сети переменного тока
Если на роторе разместить не одну катушку, а две или более, мы получим многофазную сеть. Для чего они нужны? Многофазные сети могут создавать вращающееся электромагнитное поле и крутить электродвигатели.
Первые электрические сети были двухфазными. На роторе двухфазного генератора к одной обмотке добавляется вторая, повернутая на 90 градусов, то есть на четверть оборота. Ток в одной обмотке отстает от тока в другой на четверть оборота ротора или на четверть периода синусоиды. Как говорят, имеет фазовый сдвиг на 90 градусов.
Если подключить выходы фазных обмоток к двум обмоткам статора двухфазного электродвигателя, также расположенным перпендикулярно друг другу, а ротор каким-то образом намагнитить, то мы получим картину, зеркальную тому, что происходит в генераторе — ротор приводится в движение вращающимся магнитным полем статора.
У двух катушек генератора четыре вывода, соответственно, первые двухфазные сети были четырехпроводными. Можно, конечно, соединить два конца обмоток в общий провод, но в двухфазных сетях токи разных фаз суммируются в общем проводе по правилу сложения векторов, и проводник приходится делать толще. Большого выигрыша от уменьшения числа проводов не происходит. Со временем двухфазные сети были вытеснены трехфазными.
Две схемы подключения в трехфазных сетях
На роторе трехфазного генератора размешены уже не две, а три обмотки, сдвинутые на треть оборота или на 120 градусов. Соответственно, и фазы токов в трехфазной сети сдвинуты на 120 градусов.
В трехфазной сети есть две схемы подключения генератора и нагрузки при включении звездой концы фазных обмоток соединяются в одну общую точку — нейтраль. Концы нагрузок тоже соединены в общую точку.
Провод, который соединяет общие точки нагрузки и генератора, называется нейтралью. Провода, соединяющие другие концы фазных обмоток с нагрузкой, называются линейными.
Напряжение на выводах фазных катушек (фазное напряжение) равно 220 В. Напряжение между линейными проводами называется линейным. В трехфазной сети оно равно 380 В. При соединении звездой нагрузки находятся под фазным напряжением.
В схеме включения треугольником нагрузки включаются между концами фазных обмоток. В схеме треугольника нет нейтрали, а линейное напряжение равно фазному.
Роль нейтрального провода в трехфазных сетях
Если нагрузки в разных фазах равны, то такая нагрузка называется симметричной. Симметричной нагрузкой, например, является трехфазный электродвигатель. При симметричной нагрузке равные токи в нейтрали при сложении дают ноль.
То есть при симметричной нагрузке ток в нейтрали отсутствует. Нейтральный провод вообще можно убрать. При несимметрии нагрузок происходит так называемый перекос фаз, и потенциал нейтральной точки на нагрузке смещается. Напряжения на нагрузках в разных фазах при отсутствии нейтрального провода становятся разными. Если нейтральные точки нагрузки и генератора соединены, напряжения на нагрузках остаются равными, но в нейтрали начинает протекать компенсирующий ток.
Чем отличается заземление от зануления
Заземлением называется преднамеренное присоединение токопроводящих частей к земле. То, что вкапывается в землю, называется заземлителем, а то, что присоединяет проводящие части к заземлителю, называется заземлителем.
Занулением называется присоединение токопроводящих частей к нейтрали. Эти два понятия постоянно путают.
Цель заземления — сделать потенциал на корпусе прибора в случае пробоя изоляции равным или очень близким к потенциалу земли. Цель зануления — создать при пробое фазы на корпус ток короткого замыкания настолько большой, чтобы успел быстро сработать автомат защиты сети и замкнутая цепь была обесточена.
Путаница в терминах вызвана тем, что в наших сетях нейтральный провод всегда заземляется в источнике тока. Для нас источник — это ближайшая трансформаторная подстанция. В этом случае потенциал нейтрального провода относительно земли близок к нулю, как при заземлении. При прикосновении к нейтрали пробник не светится. Поэтому нейтральный провод стали называть нулевым. На самом деле нейтраль заземляется не всегда, есть схемы подключения и с изолированной нейтралью. И цели у заземления и зануления разные.
Согласно правилам устройства электроустановок потребителей (ПУЭ), в сетях с глухозаземленной нейтралью, а это все наши распределительные сети, основной мерой по защите от поражения электрическим током является именно зануление, а заземление является дополнительной мерой. Это значит, что зануление надо делать обязательно, а заземление нет.
Заземление без зануления не обеспечивает нужной защиты.
Это связано с тем, что если корпус прибора соединен только с землей и не соединен с нейтралью, то при пробое на корпус аварийный ток потечет к источнику через сопротивление земли межу заземлителем и нейтралью подстанции. Это сопротивление намного больше сопротивления нейтрали. В результате ток короткого замыкания на землю будет настолько мал, что автомат защиты сети либо вообще не заметит замыкания и цепь останется под напряжением, либо сработает с большой задержкой и не обеспечит защиты от удара током.
До появления устройств защитного отключения (УЗО) отключение замкнутой сети автоматом было единственной эффективной мерой защиты.
Схемы заземления и зануления
Существует несколько схем подключения, которым присвоены соответствующие обозначения:
- TN-C;
- TN-S
- TN-C-S
- ТТ
- IT
Первая буква в обозначении говорит о способе соединения нейтрали источника с землей :
- Т — заземленная;
- I — изолированная;
Вторая буква обозначает присоединение корпуса электроприемника к земле или нейтрали (заземление или зануление по-нашему):
- T — корпус соединен с землей (заземлен);
- N — корпус соединен с нейтралью (занулен).
Все наши распределительные сети выполнены по схеме T. N. Буквы после ТN говорят о совмещении в одном нейтральном проводника рабочего и защитного нулевого провода:
- C — рабочий N и защитный PE проводники совмещены (PEN) ;
- S — рабочий и защитный проводники разделены;
- C-S — от источника идет сначала совмещенный проводник, затем разделяется.
Первый вариант — худший. Так выполнена проводка в старых домах.
Второй — самый лучший, но встречается редко на практике, так как энергетики экономят кабель.
Третий вариант — компромисс. В наших многоквартирных домах ввод в дом всегда четырехпроводный с совмещенной нейтралью PEN, затем от главной заземляющей шины во вводном устройстве PEN разделяется на N и PE.
Чем опасен обрыв нейтрали
Как правило, подключение квартир и частных домов у нас однофазное. Только в последнее время стали выделять по три фазы на домохозяйство.
Но даже при однофазном подключении мы все равно подключены к трехфазной сети, только к разным ее фазам.
Как было показано, при обрыве нуля и несимметричной нагрузке в трехфазной сети происходит перекос фаз. В зависимости от ситуации, напряжение в фазе может меняться от 0 до величины линейного напряжения 380 В с непредсказуемыми последствиями. Поэтому электрики тщательно следят за состоянием нейтрали.
В зануленном по схеме TN-C устройстве при обрыве нейтрали корпус прибора оказывается под линейным напряжением, хотя и не напрямую, а через нагрузку. В схеме TN-S такого не произойдет, поскольку корпус присоединен к отдельному защитному проводнику. В схеме TN-CS опасен обрыв нейтрали до точки разделения на N и PE.
Современные устройства защиты
На самом деле ни заземление, ни зануление сами по себе высокого уровня защиты не обеспечивают. Автомат защищает скорее провода сети, а не людей. Пробой изоляции на корпус до короткого замыкания маловероятен. А ухудшения изоляции и появления токов утечки он не чувствует.
К счастью, сейчас появились устройства защитного отключения (УЗО), которые обнаруживают очень малые токи утечки от 10 до 30 мА и при их появлении отключают сеть. Грамотно установленное УЗО обеспечит реальную защиту от поражения электрическим током.
От перекоса фаз защитят устройства контроля фаз. Эти приборы следят за величиной фазных напряжений и при их выходе за заданные пределы отключат сеть.
