Как земля проводит ток и почему заземление всё-таки работает: разгадка секрета
Заземление – одно из базовых понятий в электротехнике. С его помощью осуществляется принудительное замыкание токопроводящих частей электроустановки в землю. Это обязательное требование для ее безопасной эксплуатации.
Как работает заземление?
Принцип работы заземления базируется на следующих утверждениях:
- Нельзя полностью избежать пробоя изоляции на корпус электроустановки, а также значительно уменьшить ее сопротивление.
- Когда потенциал затрагивает корпус, это невозможно определить по внешним параметрам.
- Если в этом случае человек дотронется до корпуса электроустановки, он окажется под воздействием высокого потенциала.
- В данной ситуации электрический ток проходит через тело человека от проводящей поверхности к земле, что опасно для жизни.
- Чтобы избежать этой опасности, необходимо достичь разности потенциалов между приводящей поверхностью и землей. Для этого следует при помощи провода с небольшим сопротивлением соединить с землей части корпуса, выполненные из металла.
Благодаря этому в случае пробоя изоляции основной ток уйдет в землю, не затрагивая тело человека.
Почему земля обладает низким сопротивлением?
Закон Ома гласит, что ток во всех случаях протекает по замкнутому контуру. То есть ток движется через электроустановку с подключенной к ней системой заземления от одного из полюсов электростанции до заземляющего электрода. Небольшое заземление всей конструкции не гарантирует малое сопротивление обратной ветви цепи. Почва обладает достаточно большим удельным сопротивлением, поэтому кажется, что тело человека не становится дополнительным элементом заземления.
Стоит учитывать, что сопротивление обратной ветви контура заземления будет небольшим, поскольку между заземляющими электродами электроустановки и электростанции сечение среды очень велико.
Благодаря этому система заземления не только обеспечивает отличную защиту и надежность без обрывов, но и позволяет избежать прокладки доп.кабеля для коммутации соединителей электростанции и объекта.
Что еще нужно знать о заземлении?
Важно понимать, что для качественной работы системы заземления необходимо, чтобы переходной сопротивление, возникающее между землей и заземляющий электродом, было невелико. Этого можно достигнуть благодаря большой площади контакта (для этого выполняют сварку крепко скрепленных друг с другом пластин), а также с помощью установки электродов в грунте ниже глубины его промерзания, поскольку в этом случае его удельное сопротивление резко увеличивается. С реализацией данной задачи отлично справляются вертикальные заземлители.
Сопротивление человеческого тела равняется нескольким сотням Ом, поэтому максимально допустимое сопротивление системы заземления не может составлять более 4 Ом.
Почему ток уходит в землю
Почему электрический ток уходит в землю? А ведь данный вопрос можно обратить отнюдь не ко всем электрическим цепям, поэтому давайте несколько усложним его. В каких случаях и почему ток уходит в землю?
Начнем с простого примера. Наверняка каждому из нас приходилось наблюдать такое природное явление как молния. Молния — есть ни что иное, как кратковременный электрический ток уходящий их грозовой тучи в землю. Почему это происходит?
Из школьного курса физики известно:
1 — что заряды противоположных знаков стремятся притянуться друг к другу;
2 — за направление тока в проводнике принимается направление, противоположное направлению движения отрицательно заряженных частиц — электронов (для ионизированных газов или электролитов — противоположное направлению движения отрицательных ионов, а для полупроводников — противоположное направлению движения «дырок»).
Так вот, применительно к молнии можно сказать, что когда грозовая туча заряжена положительно, а поверхность земли под тучей — отрицательно (бывает и наоборот! см.рисунок), при определенных условиях (температура, давление, влажность) происходит пробой воздуха в атмосфере, при котором электроны из земли устремляются к положительно заряженной грозовой туче, значит в данном конкретном случае ток действительно «уходит в землю» просто потому, что притягиваются заряды противоположных знаков.
Зарядите конденсатор, и пусть его отрицательно заряженная обкладка будет символизировать землю, а положительно заряженная — грозовую тучу. Замкните выводы отверткой — получите ток, «уходящий в землю» — миниатюрный аналог разряда молнии из тучи — в землю. Если бы заряд земли был равен заряду грозовой тучи (аналогия — разряженный конденсатор), то разряда бы не произошло, и ток бы «в землю не ушел».
Поговорим теперь об электрических сетях переменного тока, используемых на большинстве производств, в зданиях где работают люди, а также в наших домах для бытового электроснабжения. Это так называемые «сети с глухозаземленной нейтралью».
Под нейтралью, применительно к данным сетям, понимается обязательно заземленный вывод вторичной обмотки промышленного трехфазного трансформатора (он стоит на подстанции), от которого наши квартиры получают те самые 220 вольт на фазе в розетке.
Проводник связанный с глухозаземленной нейтралью называется «PEN». Фазные проводники, по сути, — противоположные выводы данной трехфазной обмотки, «нулевая точка» которой заземлена согласно требованиям обеспечения безопасности — это принятый в электротехнике стандарт.
Что же произойдет, если один из фазных проводников случайно окажется в контакте с проводящим корпусом какого-нибудь устройства, при условии что этот корпус соединен с проводником PEN?
Замкнется цепь фаза-корпус-проводник PEN (соединенный с землей и с нейтралью трансформатора на подстанции), при этом должно сработать защитное устройство, как правило установленное во всех добросовестно спроектированных электрических сетях. Можно ли сказать, что в данном случае «ток ушел в землю»? Лишь условно, если назвать землей место соединения с землей нейтрального вывода трансформатора на подстанции.
Но что если проводник PEN практически отсутствует, а вместо него используется местное заземление, грубо говоря металлический штырь или контур помещенный в землю? Что тогда?
При аналогичной ситуации с попаданием фазы на корпус — ток устремится к тому самому заземленному на подстанции выводу трансформатора, причем этот ток потечет именно по почве, буквально через землю, прокладывая путь наименьшего сопротивления от местного заземления — к заземленным проводникам, соединенным с той самой нейтралью на подстанции.
В данной ситуации ток действительно уйдет от фазы — в землю, но земля будет служить лишь проводником, поскольку практически ток будет направлен к нейтрали трансформатора далеко на подстанции, и этот ток потечет по земле лишь потому, что эта нейтраль заземлена, то есть ток будет вынужден в данном случае «уйти в землю» в поисках пути наименьшего сопротивления.
Телеграмм канал для тех, кто каждый день хочет узнавать новое и интересное: Школа для электрика
Заземление – что это и для чего нужно
Тело человека – хороший проводник электрического тока. Самыми высокими показателями электропроводности обладают мышцы и подкожная-жировая клетчатка, то есть как раз те места, которые первыми контактируют с внешним источником тока, будь то оголенный провод или неисправный электроприбор.
Ток проникает в тело через поры и каналы потовых желез, поэтому очевидно, что сухая кожа отличается более высоким сопротивлением, чем влажная. Так, при контакте с напряжением 220 В значение силы тока, воздействующей на мокрый кожный покров, составляет порядка 220 мА. При такой электротравме смерть наступает мгновенно, учитывая, что опасным для организма считается показатель уже в 15мА, а смертельном опасным – 100 мА.
Это доказывает необходимость разработки мер, которые предотвращают случайное поражение электрическим током во всех областях человеческой деятельности, как на производстве, так и в быту. Одна из таких мер – установка заземляющих устройств (ЗУ).
Что такое заземление
Если говорить простыми словами, это защитная система, которая предотвращает от ударов током при прикосновении к металлическим частям оборудования, находящегося под напряжением. Вся конструкция состоит из следующих частей:
- Металлический контур
- Заземляющая шина
- Разводка проводов заземления
Контур представляет собой 4-6 штырей (электродов), забитых в грунт и соединенных между собой металлическими полосами. Необходимая глубина заземляющего устройства – 2,5-3 метра, то есть ниже уровня промерзания почвы. Это требуется для того, чтобы даже зимой контур получал доступ к влаге, проводящей ток.
Вверху одного вертикального электрода располагается «контактная зона» (чаще всего в виде болта с резьбой), от которой берет начало медная шина, ведущая в специальную планку в распределительном щитке.
От главной заземляющей шины, в свою очередь, расходятся медные жилы к розеткам потребителей. Эти провода, по сути, отвечают за подключение заземления – к примеру, в современных домах разводка от щитка выполняется трехжильным кабелем, где одна из жил – желто-зеленого цвета – отведена «под землю».
Рис 1. Устройство заземления. а) – заземление в линию; б) – контур заземления
Требования к заземлению
Обеспечение безопасности потребителя при работе с электрическими приборами – приоритетная задача производителей и эксплуатантов электроустановок, поэтому в этой сфере действует ряд норм и правил. Отметим основные:
- Заземлять нужно все, что имеет металлический корпус: котлы, станки, насосы, инструменты, оборудование;
- Штыри и соединения контура должны отличаться антикоррозионностью и износостойкостью, что обеспечивается правильным выбором материала и диаметра – например, для этих целей нередко используется нержавеющая сталь с поперечным сечением не менее 90 кв. мм;
- Заземлители должны всегда находиться во влажной почве – для этого нужно учесть географические, климатические и геологические особенности региона и выбрать правильную глубину размещения металлических электродов.
Почему человека бьет током
- В бытовом электрическом приборе, установленном без заземления (к примеру, в стиральной машине), нарушилась целостность проводки. Причины могут быть любые – естественный износ, механические повреждения, вредительство насекомых или грызунов.
- В результате на корпусе агрегата скапливается электрический разряд.
- Человек прикасается к устройству и получает удар током.
Важно понимать, что ток при этом движется по замкнутой цепи, где тело человека выступает как одно из звеньев. Если бы мы, скажем, летали по воздуху, то электрические травмы были бы нам практически не страшны – посмотрите на птиц за окном: они спокойно сидят на высоковольтных проводах, не догадываясь о смертельной опасности.
Однако мы, в отличие от птиц, ходим по земле, которая, в свою очередь, считается идеальной точкой с нулевым потенциалом. Получается, что тело человека выступает как проводник, по которому электрический ток от неисправного электроприбора или оголенного провода устремляется к земле, чтобы уравнять количество заряженных частиц в этих двух точках, как того требуют законы природы.
Как работает заземление
Ток движется по пути наименьшего сопротивления. Этот простой принцип лежит в основе работы заземления: наш кожный покров обладает более высоким сопротивлением, чем металлический провод, поэтому при касании поверхности под напряжением ток сразу уходит в землю, не причиняя человеку вреда. Это главное, что нужно понимать о работе ЗУ.
Есть и еще один фактор, который обеспечивает работу заземления – бесконечно обширное «сечение» грунта. Обратимся к физике: ток, уходя во влажную почву, запускает цепную реакцию ионов, которые передают энергию все дальше и дальше, практически до бесконечности. Чем больше электрически заряженных частиц (ионов) участвует в процессе, тем быстрее передается энергия, рассеивается ток и, следовательно, тем эффективнее работает заземление. Добавим, что здесь немаловажную роль играет и достаточный диаметр металлических электродов, входящих в контур заземляющего устройства.
Заземление и зануление – в чем отличие
Кроме установки ЗУ, существует еще один способ, защищающий человека от удара током от неисправных электроустановок. Это зануление (другое название: заземление на ноль). Его суть в том, что при возникновении неисправности возникает короткое замыкание, что приводит к отключению автомата-предохранителя. Технически это реализовано так: корпус электроустановки соединяется с нейтралью источника питания, то есть с заземленной точкой трансформатора.
Простыми словами, разница между занулением и заземлением в том, что в первом случае питающая цепь отключается из-за превышения токовой уставки автомата, а во втором – опасный ток отправляется в грунт и «растекается» в его влажной среде.
В многоквартирных высотках заземлять электроприборы технически сложно, поэтому здесь чаще всего используется зануление (наряду с УЗО). В частных домах, наоборот, удобнее всего сделать систему заземления.
Для чего применяются УЗО и дифавтоматы
Эксплуатация заземляющих устройств невозможна без дополнительных приборов. К главным из них нужно отнести устройство защитного отключения (УЗО) и дифференциальные автоматы. Несмотря на внешнюю схожесть, они используются для разных задач:
- УЗО отключается в момент появления в сети так называемого тока утечки, который может привести, с одной стороны, к возгоранию (при повреждении электропроводки изоляция начинает сильно греться), а с другой – к удару током, если человек дотронется до неисправного оборудования. УЗО всегда работает «в связке» с обычным автоматом.
- Дифференциальный автомат соединяет в себе функции устройства защитного отключения и автомата, то есть он защищает систему электропроводки от перегрузок и коротких замыканий, а человека – от электрических травм.
Таким образом, заземление представляет собой металлический провод, уходящий в почву и предназначенный для «утекания» тока в землю при возникновении неисправности в системе электроснабжения.
Что такое заземление, или просто о простом
Давно читаю ресурс, хорошая штука. Решил привнести и я немного ясности в нашу жизнь, а именно — в простую, казалось бы, вещь — заземление.
Навеяно статьей, но после прочтения комментариев у меня закрались сомнения — а всем ли понятно о сути заземления? Захотел добавить кое-что от себя, простыми словами, безо всяких ПУЭ. Ведь заземление — это защита, а стало быть — важно.
Итак:
Заземление — 2 вида по функционированию
1.
Электропроводяшие части корпуса оборудования (шкафы, etc.) соединены с нулем. Это, как правильно подсказывают, называется «занулением». Работает таким образом: корпус оборудования соединен с нулем и при попадании фазы на корпус происходит КЗ и вышибает автомат. Никто не пострадал.
2.
Если есть контур заземления, то электропроводящие части корпуса оборудования и etc., к которым может прикоснуться человек (и любой читатель этого топика), соединены с этим контуром. Как работает? Ток не «утекает» и не «впитывается» в землю, не утекает в среднюю точку обмоток трансформатора, с ним мало чего происходит. При пробое на корпус все, в т.ч. и контур здания становится под тем же напряжением, что и корпус. Контур соединен и с землей (той, по которой ходим), а значит, человека не ударит током — в цепи уравнены потенциалы. Все становится под фазой.
Почему не довольствоваться одними лишь автоматами? Да потому, что время срабатывания не равно нулю у любого суперавтомата. Земля действует быстрее любого УЗО!
Про молниезащиту
Немаловажную роль в этом играет заземление (не буду писать слово «грамотно выполненное по всем ГОСТ» — топик рассчитан на простое понимание основы заземления, а не на изучение нормативов). Здесь цепь выглядит по-другому: в облаках скапливается потенциал по отношению к земле и при достижении определенной величины он разрядится (а вот здесь — да, ток уходит в землю, выравнивая потенциалы неба и земли, ибо такая цепь). Через проводящие материалы. Здесь важно, чтобы не через людей и оборудование. Делают молниеотводы, и их подключают к контуру. Толстыми железяками, чтобы уменьшить сопротивление, чтобы максимум тока потекло через наименьшее сопротивление. Но все равно — на протяженные провода и кабели ток наведется — и не мало вольт. Ток с вольтами могут пожечь все. Здесь помогают УЗИПы. Там стоят разрядники, которые при срабатывании на возросшее напряжение/ток замыкают все жилы кабеля на землю.
Такой вот краткий топик основ.
З.Ы. Здесь есть отличные иллюстрации