Заземление и зануление: различия и назначение
Введение
Электробезопасность — один из важнейших факторов при работе с любыми электроустановками. Если изоляция повреждена, на металлическом корпусе оборудования, который в нормальных условиях не должен находиться под напряжением, может появиться опасный электрический потенциал. Это называют пробоем на корпус. Прикосновение к такому корпусу может привести к удару током — иногда с серьёзными, а порой и смертельными последствиями. Чтобы этого не допустить, применяются разные меры защиты: от простых ограждений и резиновых ковриков до современных автоматических устройств отключения. Но наиболее распространёнными и эффективными остаются два метода — защитное заземление и защитное зануление. Их популярность объясняется надёжностью и сравнительно простой реализацией как в быту, так и на производстве.
Определение и назначение заземления
Заземление – это преднамеренное электрическое соединение определенной точки электрической сети, установки или оборудования с заземляющим устройством. Иными словами, все токопроводящие части конструкции, которые не должны находиться под напряжением, соединяются с землей. Если такое соединение выполняется с целью обеспечения безопасности, его называют защитным заземлением. Согласно Правилам устройства электроустановок (ПУЭ), защитное заземление – это заземление, выполняемое в целях электробезопасности.
Назначение защитного заземления – снизить до безопасного уровня напряжение на корпусе оборудования при пробое изоляции и обеспечить прохождение аварийного тока в землю. При возникновении замыкания на корпус ток уходит в грунт по заземляющему проводнику, удерживая потенциал корпуса близким к потенциалу земли. Чтобы защитное заземление эффективно выполняло свою функцию, предъявляются две основные требования: во-первых, заземляющая цепь должна выдержать максимальный ток короткого замыкания до отключения аварии; во-вторых, сопротивление цепи заземления должно быть достаточно низким (как правило, не более нескольких Ом). Выполнение этих условий необходимо, чтобы ток замыкания на землю был достаточным для срабатывания защитных устройств (предохранителей, автоматических выключателей) и чтобы на корпусе не возникло опасно высокого напряжения. В результате правильно реализованное заземление при пробое изоляции либо автоматически отключит поврежденный участок (например, сработает устройство защитного отключения), либо по крайней мере удержит потенциал корпуса в пределах безопасных значений.
Заземляющее устройство обычно состоит из заземлителей (металлических электродов в грунте) и заземляющих проводников. В современных электроустановках открытые проводящие части (корпуса) присоединяются к общей сети заземления посредством защитного PE-проводника (желто-зеленого цвета). ПУЭ и стандарты по электробезопасности требуют обязательного применения защитного заземления во всех электроустановках, где это необходимо для защиты людей. В частности, нормативы устанавливают, что защитному заземлению подлежат все доступные для прикосновения металлические части электрооборудования, которые могут оказаться под напряжением при повреждении изоляции.
Определение и назначение зануления
Зануление (защитное зануление) – это преднамеренное соединение открытых (доступных прикосновению) проводящих частей электроустановки с глухозаземленной нейтралью источника питания посредством нулевого защитного проводника. Иными словами, корпус оборудования соединяется не напрямую с землей, а с нулевым проводником сети, который в точке генератора или трансформатора уже заземлен. Согласно ПУЭ, защитное зануление в сетях напряжением до 1 кВ выполняется в целях электробезопасности аналогично заземлению. По сути, зануление «привязывает» корпус прибора к нейтрали сети, поэтому при пробое фазы на корпус происходит короткое замыкание на нулевой провод.
Назначение зануления – обеспечить быструю ликвидацию опасного напряжения на корпусе путем автоматического отключения питания. Когда изоляция повреждается и фаза замыкается на корпус, через нулевой (зануляющий) проводник протекает значительный ток короткого замыкания. Этот ток возвращается в нейтраль источника и провоцирует срабатывание защитного аппарата (автомата или предохранителя) по току перегрузки или КЗ, обесточивая поврежденное устройство. Зануление реализует принцип защиты отключением: опасная ситуация устраняется за счет быстрого отключения аварийного участка сети. Согласно ГОСТ 12.1.030-81, зануление выполняется подключением металлических частей электроустановки к заземленной точке источника питания с помощью нулевого защитного проводника.
Практически защитное зануление осуществляется прокладкой дополнительного проводника (PEN или N-PE) от корпуса прибора до вводного распределительного щита, где этот провод соединяется с рабочим нулем (нейтралью) сети. В бытовых сетях с розетками для этого используется третий провод в кабеле и специальный контакт заземления/зануления в розетке. При правильном выполнении зануления в случае пробоя на корпус происходит немедленное отключение: ток КЗ, проходящий через нулевой проводник, превышает номинал автомата, и автоматический выключатель обесточивает цепь. Этот способ признан удовлетворительно эффективным и допустимым, особенно там, где отсутствует полноценный заземляющий контур (например, в старых жилых зданиях).
Основные отличия между заземлением и занулением
Оба рассматриваемых метода предназначены для одной цели – защиты человека от поражения электрическим током при пробое изоляции – однако достигают этой цели разными способами. Ниже приведены отличия защитного заземления и зануления:
Способ защиты
Защитное заземление обеспечивает безопасность преимущественно за счет выравнивания потенциала корпуса с землей и (при необходимости) срабатывания устройств дифференциальной защиты. В случае пробоя ток уходит в землю, а УЗО или дифавтомат обнаруживает утечку и быстро отключает питание даже при малых токах утечки. Зануление же реализует защиту через создание короткого замыкания на нейтраль: аварийный ток сразу достигает высоких значений и выключатель (автомат, предохранитель) отключает питание, но для срабатывания требуется, чтобы ток утечки превысил порог срабатывания аппарата защиты.
Условия применения
Зануление эффективно только в электрических сетях с глухо заземленной нейтралью (системы типа TN), где существует нулевой проводник, соединенный с землей на подстанции. В сетях с изолированной нейтралью (IT) или с независимым заземлением нагрузки (TT) классическое зануление неприменимо – там корпуса заземляют на локальный контур, а для отключения используются устройства контроля изоляции или УЗО. Заземление же универсально и может применяться во всех системах: в TN-системах открытые части параллельно соединены с нейтралью и землей, а в TT/IT-системах заземление – основной способ защиты (с обязательным использованием УЗО, поскольку ток через землю может быть недостаточен для срабатывания обычных автоматов).
Надежность и безопасность
Защитное заземление менее чувствительно к обрыву проводников – даже при выходе из строя части заземляющего контура металлические корпуса остаются непосредственно соединены с землей (хотя нарушение целостности заземления тоже крайне опасно). В системе зануления же критическим недостатком является обрыв нулевого проводника: при отгорании нейтрали защитная функция пропадает – ток при пробое не протечет, автомат не отключится, и корпус оборудования окажется под фазным напряжением. Зануление дает полноценную защиту только при исправной нейтрали; заземление в этом отношении более устойчиво, так как не зависит от состояния рабочего нуля. Кроме того, зануление не обеспечивает защиты от малых токов утечки (менее порога срабатывания автомата), которые могут быть смертельно опасны для человека. Заземление в сочетании с чувствительным УЗО сработает даже при утечке в десятки миллиампер, предотвращая поражение.
Нормативные ограничения
Исторически зануление применяется в электроустановках напряжением до 1000 В – ПУЭ дает определение защитного зануления только для сетей до 1 кВ. В установках выше 1 кВ используются только системы заземления: например, в сетях 6–10 кВ и выше корпуса оборудования подлежат защитному заземлению, зануление на таких напряжениях не применяется. ПУЭ и ГОСТ также регламентируют обязательность того или иного метода: так, согласно нормативам, любая электроустановка переменного тока напряжением 380 В и выше (или постоянного 440 В и выше) должна иметь либо защитное заземление, либо зануление. В сетях 220/380 В (до 380 В) выбор способа зависит от системы электроснабжения и условий: при глухозаземленной нейтрали обычно реализуется зануление (TN), а при изолированной нейтрали – заземление с УЗО (TT, IT). При сверхнизких напряжениях (СНН, например 12–24 В) требования могут смягчаться – ПУЭ допускает, что при номинальном напряжении до 42 В переменного тока (или до 110 В пост. тока) в обычных условиях защитное заземление/зануление не требуется, если, конечно, отсутствуют повышенные опасности.
Примеры практического применения
Рассмотрим примеры, где каждый из методов используется на практике в разных типах электроустановок:
Бытовая сеть старого образца (двухпроводная система TN-C)
В многих советских и постсоветских жилых домах электропроводка выполнена двухпроводной (фаза и нуль). Отдельного защитного заземления там не было, поэтому для защиты применялось зануление. Металлические корпуса стационарных приборов (например, электроплит) подключались к нулевому проводнику в квартирном щитке – таким образом корпус зануляется. При пробое фазы на корпус происходило короткое замыкание на нейтраль и выбивало автомат или плавкую вставку. Такой способ защиты формально соответствовал требованиям своего времени: ПУЭ предписывали занулять корпуса бытовых электроприемников (электроплиты, бойлеры и т.п.) в сетях 220/380 В TN-C. Тем не менее, недостатки зануления (описанные выше) в таких сетях проявляются наиболее остро: при плохом контакте в нулевом проводе или при небольших токах утечки автомат может не отключиться, создавая скрытую опасность поражения током. В современных условиях при модернизации таких сетей настоятельно рекомендуется переход на систему TN-C-S с установкой УЗО.
Современная сеть низкого напряжения в здании (TN-C-S или TN-S)
В новых зданиях и сооружениях согласно ПУЭ применяется система с разделением нуля и земли. От подстанции может приходить комбинированный PEN-проводник, который на вводе в здание разделяется на PE и N (система TN-C-S), либо изначально прокладываются раздельные проводники PE и N (TN-S). Во всех розетках и электрощитах присутствует заземляющий (PE) провод. Здесь реализуется по сути комбинация зануления и заземления: нейтраль источника глухо заземлена, корпус каждого прибора через PE-шину подключен к этой нейтрали (через PEN/N) и одновременно соединен с локальной системой заземления здания (через повторное заземление PEN/PE). Такое решение объединяет достоинства обоих методов. Например, зануление обеспечивает мгновенное отключение при прямом замыкании фазы на корпус, а контур заземления и повторные заземлители снижают потенциал корпуса и позволяют УЗО выявлять малейшие утечки. ПУЭ напрямую рекомендует в TN-системах выполнять повторное заземление PE- и PEN-проводников на вводе в здание и в других доступных точках сети – на практике это значит, что нейтраль заземляется не только на подстанции, но и возле объекта, усиливая защиту. Пример: в частном доме или новом многоквартирном доме обычно обустроен заземляющий контур (несколько вертикальных электродов соединены полосой), подключенный к главной заземляющей шине ГЗШ. Все розетки имеют контакт заземления, связанный с ГЗШ, а ГЗШ подключена к PEN питающей линии и самому контуру земли. При повреждении изоляции и утечке тока на землю сработает либо автомат (при крупном КЗ), либо УЗО (при небольшом токе утечки), обеспечивая защиту.
Установки с изолированной нейтралью (система IT)
В некоторых специальных случаях (например, в электроустановках на судах, в медицинских помещениях, мобильных генераторах или некоторых промышленных сетях) источник питания имеет изолированную нейтраль. В такой системе прямое зануление невозможно из-за отсутствия глухозаземленного нуля. Открытые проводящие части оборудования объединяются общим защитным проводником и заземляются на локальный заземлитель (как в системе TT). Однако при первом замыкании на землю ток из-за изолированной нейтрали очень мал и автоматическое отключение, как правило, не происходит. Вместо этого для защиты применяется система контроля изоляции: специальный прибор сигнализирует о первом замыкании на землю, и обслуживание должно устранить неисправность прежде, чем возникнет второе замыкание. Иначе при двух одновременных замыканиях на землю разные фазные проводники могут создать ток КЗ. В IT-системах реализуется защитное заземление всех корпусов, но для обнаружения аварийного состояния требуется контроль изоляции сети (а зануление неприменимо вовсе). Пример: в операционных помещениях больниц часто используется изолированная система питания с монитором изоляции – корпуса медицинского оборудования заземлены на общую шину, а при утечке система подает сигнал тревоги.
Промышленные предприятия и установки
На производствах, как правило, сооружается полноценная система заземления. В цехах прокладываются магистральные заземляющие проводники, на оборудовании имеются заземляющие болты для подключения к контуру. Все металлические конструкции цеха, станки, корпусные части электрооборудования соединяются с общим заземляющим контуром предприятия. Такой контур обычно представляет собой сеть заземлителей (например, вертикальные штыри и горизонтальные полосы вокруг здания) с очень малым сопротивлением. Зануление в чистом виде на современных производственных объектах почти не применяется, так как нормативы требуют организовать именно заземление (например, для электроустановок напряжением 380 В и выше обязательно либо заземление, либо зануление, но на практике в промышленности отдают предпочтение заземлению). Более того, ПУЭ прямо указывает, что использование одного лишь зануления на производстве нежелательно из-за недостаточной надежности – например, обрыв нуля может остаться незамеченным и привести к аварии. Тем не менее, на предприятиях с распределительными сетями 0.4 кВ типа TN возможно комбинированное применение: оборудование зануляется (соединяется с рабочим нулем), и одновременно сеть имеет несколько точек повторного заземления нейтрали. Это соответствует системе TN-C-S и считается лучшей практикой. В особо ответственных случаях каждую установку снабжают еще и устройствами защитного отключения (УЗО) для максимальной безопасности персонала. Пример: в больших дата-центрах или фабриках вся силовая сеть выполнена по схеме TN-S – проложены отдельные шины PE, каждая электрическая панель заземлена, нейтраль трансформатора заземлена на участке, и вдобавок вдоль кабельных трасс периодически делаются повторные заземления PEN.
Нормативные требования и выдержки из правил
Вопросы защитного заземления и зануления подробно регламентируются нормативными документами – прежде всего Правилами устройства электроустановок (ПУЭ) и стандартами системы безопасности труда (например, ГОСТ 12.1.030-81). Ниже приведены некоторые ключевые нормы и выдержки, касающиеся данной темы:
Термины и определения (ПУЭ 7-е изд., гл.1.7)
ПУЭ дает четкие определения рассматриваемых понятий. Например, «Заземление – преднамеренное электрическое соединение какой-либо точки сети, электроустановки или оборудования с заземляющим устройством», а «Защитное заземление – заземление, выполняемое в целях электробезопасности». Соответственно, «Зануление… – преднамеренное соединение открытых проводящих частей с глухозаземленной нейтралью…» (для сетей до 1 кВ) «…выполняемое в целях электробезопасности». Эти определения устанавливают, что и заземление, и зануление являются мерами защиты при косвенном прикосновении, отличаясь лишь тем, куда подключаются корпуса – к непосредственному заземлителю или к заземленной нейтрали.
Обязательность применения
Нормы требуют применять одно из защитных мероприятий (заземление или зануление) во всех электроустановках выше определенных уровней напряжения. Так, пункт 1.7.33 ПУЭ (соответствует п.1.3 ГОСТ 12.1.030-81) гласит: «Заземление или зануление электроустановок следует выполнять: при номинальном напряжении 380 В и выше переменного тока и 440 В и выше постоянного тока – во всех случаях». Также там указано, что в диапазоне от 42 В до 380 В переменного (110–440 В пост.) заземление/зануление обязательно в помещениях с повышенной опасностью и особо опасных по поражению электротоком. В обычных же условиях при напряжении ниже ~50 В переменного защитное заземление может не требоваться, поскольку этот уровень считается безопасным (СНН). Во всех сетях 127/220/380 В и выше защитные меры обязательны: либо корпуса присоединяются к нейтрали (TN – зануление), либо заземляются на контур (TT), либо применяются и то и другое в комбинации.
Системы TN, TT, IT (ПУЭ 1.7.3–1.7.6)
В ПУЭ введена классификация систем электроснабжения по способу заземления нейтрали и корпусов (TN, TT, IT). Эта классификация предопределяет и способ защиты. В системе TN нейтраль источника глухо заземлена, а открытые проводящие части присоединены к нейтрали посредством нулевых защитных проводников – то есть реализовано зануление. Система TT предполагает, что нейтраль источника также заземлена, но корпуса потребителя заземлены на свой независимый контур – классическое защитное заземление. В системе IT нейтраль изолирована (или заземлена через большое сопротивление), а корпуса обязательно заземлены; при этом для защиты от токов утечки в IT вводятся специальные меры (измерители изоляции, УЗО и т.п.). ПУЭ предписывает выбирать и реализовывать систему заземления исходя из условий: например, в сетях общего назначения обычно применяется TN, в сетях с высоким сопротивлением растекания – TT, в особых случаях – IT. Это прямо влияет на то, будет ли на объекте зануление (TN) или заземление (TT/IT).
Повторное заземление PEN/PE (ПУЭ 1.7.61)
Правила требуют дополнительного повышения надежности зануления в системах TN. В пункте 1.7.61 указано: «При применении системы TN рекомендуется выполнять повторное заземление PE- и PEN-проводников на вводе в электроустановки зданий, а также в других доступных местах». То есть нулевой проводник, используемый для защиты, должен иметь связь с землей не только у источника, но и у потребителя. Это требование направлено на снижение последствий обрыва PEN-проводника и уменьшение напряжения на корпусах. Проще говоря, зануление дополняется элементами заземления (комбинированная схема TN-C-S) – что сегодня и реализуется повсеместно (заземленная нейтраль + заземляющая шина в каждом здании).
ГОСТ 12.1.030-81 (ССБТ «Электробезопасность»)
Этот стандарт дублирует и уточняет многие положения ПУЭ. В частности, в п.1.1 ГОСТ сформулирована цель защитного заземления и зануления: «обеспечивать защиту людей от поражения электрическим током при прикосновении к металлическим нетоковедущим частям, которые могут оказаться под напряжением в результате повреждения изоляции». Далее ГОСТ устанавливает методы выполнения: защитное заземление – соединением с «землей», зануление – соединением с заземленной точкой источника через нулевой проводник. Требования по областям применения соответствуют ПУЭ: например, п.1.3 ГОСТ идентичен вышеупомянутому 1.7.33 ПУЭ. Также ГОСТ регламентирует технические параметры: сопротивления заземлителей, материалы проводников, допустимые напряжения прикосновения и т.д., что важно при проектировании защитных мероприятий.
Нормативные документы требуют обязательного применения защитного заземления и/или зануления практически во всех электросетях, за исключением сетей очень низкого напряжения. Они же определяют, какой способ предпочтителен в зависимости от типа системы: в TN – зануление (с повторными заземлениями), в TT – индивидуальное заземление каждого объекта, в IT – заземление с контролем изоляции. Соблюдение этих правил – обязательное условие обеспечения электробезопасности.
Рекомендации по применению каждого способа
В сетях с глухозаземлённой нейтралью (так называемые системы TN) наиболее типичным решением считается зануление всех открытых проводящих частей оборудования. Особенно эффективны здесь схемы TN-S или TN-C-S, где предусмотрен отдельный защитный PE-проводник. Такой провод подключается к нейтрали трансформатора, которая заземлена, и выполняет функцию защитного проводника по всей сети. Для повышения надёжности защиты по всей линии, начиная с ввода в здание и далее по трассе, целесообразно предусматривать повторные заземления PEN- или PE-проводника. Это позволяет избежать опасных ситуаций при возможных обрывах или нарушениях контакта. Внутренняя разводка по зданиям должна включать отдельные защитные провода, идущие к розеткам и корпусам оборудования. Вместе с тем одного только зануления может быть недостаточно — практика показывает, что при небольших токах утечки автоматы могут не сработать. Поэтому обязательно дополнять систему установкой устройств защитного отключения (УЗО): на групповые линии — с током утечки 30 мА, а для влажных или особо опасных зон — 10 мА. В результате такая комбинированная схема (зануление, УЗО и повторное заземление) соответствует современным требованиям ПУЭ и обеспечивает высокий уровень электробезопасности для жилых и коммерческих объектов.
Если же используется система с изолированной или независимо заземлённой нейтралью — речь идёт о схемах TT и IT — то зануление здесь уже неприменимо, поскольку отсутствует заземлённый нулевой провод, к которому можно подключить корпуса. Это характерно, например, для автономных генераторов, сельских линий без нейтрали или установок, где нейтраль изолирована. В таких случаях применяют защитное заземление: каждый объект должен иметь свой контур заземления с сопротивлением, соответствующим нормативу. Все металлические корпуса оборудования присоединяются к этому заземлению. Однако в TT-системах из-за сопротивления грунта ток замыкания может быть слишком мал, чтобы вызвать срабатывание обычного автомата. Поэтому защита должна обязательно дополняться УЗО — они становятся здесь основным элементом защиты. На практике эффективной считается схема, где заземление сочетается с УЗО на 30 мА для групповых линий и организуется система выравнивания потенциалов (все заземляющие проводники, трубы, арматура объединяются на главной заземляющей шине — ГЗШ). В IT-сетях корпуса тоже заземляются, но в случае первого замыкания на землю ток очень мал, и автомат не срабатывает — вместо этого используется устройство контроля изоляции, которое сигнализирует о неисправности. При повторном замыкании на другую фазу уже возникает ток, достаточный для отключения. В IT-системах защита строится на заземлении, постоянном контроле изоляции и отключении при двойной аварии. Ни зануление, ни подключение к нейтрали в таких системах не применяется.
В условиях повышенной опасности — например, во влажных помещениях, в цехах с токопроводящей пылью или высокой температурой — требования становятся строже. Независимо от того, используется ли зануление или заземление, такие помещения требуют дополнительных мер защиты. К ним относятся обязательное применение УЗО с током утечки не более 30 мА, устройство системы уравнивания потенциалов, использование диэлектрических покрытий и других вспомогательных мер. Хороший пример — ванная комната: металлическая ванна, трубы, стиральная машина и розетки в зоне доступа должны быть объединены в единую защитную цепь. Если здание старое и выполнено по схеме TN-C (без отдельной земли), категорически не рекомендуется пытаться подключать ванну или стиральную машину к «нулю» в розетке — это опасно. Вместо этого стоит проложить отдельный защитный провод до щитка или хотя бы установить дифавтомат на 10 мА. В особенно ответственных помещениях — например, операционных или взрывоопасных зонах — применяются специальные решения: двойная изоляция, изолированные источники питания, система мониторинга изоляции и другие методы. Здесь важно строго следовать предписаниям ПУЭ и учитывать профильные главы, относящиеся к таким помещениям.
Независимо от того, какая система используется — TN, TT или IT — надёжность всей схемы зависит от её регулярного технического обслуживания. Обязательно нужно проверять состояние заземляющих устройств, не реже одного раза в год проводить замер сопротивления заземления (особенно в ответственных установках). Если используется система зануления, крайне важно следить за целостностью PEN-проводников и надёжностью соединений, особенно на главной заземляющей шине (ГЗШ). Ни в коем случае нельзя самовольно удалять или отключать защитные проводники: нередки случаи, когда после установки контура заземления люди ошибочно удаляют старые зануляющие соединения — чего делать нельзя, поскольку они могут служить дополнительным каналом защиты. Если в старой системе TN-C уже был проложен зануляющий провод, после перехода на TN-C-S он продолжает использоваться как PE и удалению не подлежит — это прямо указано в ПУЭ. И, наконец, если вы замечаете, что корпус оборудования «щиплет» током — это тревожный сигнал. Нужно немедленно проверить систему заземления или зануления, а также убедиться в исправности УЗО. В электробезопасности лучше перестраховаться, чем допустить несчастный случай.
