Заземление схема: Схема заземления частного дома. TN и TT

Опубликовано в Разное
/
25 Мар 1989

Содержание

TN-C, TN-S, TNC-S, TT, IT

Для работы электроприборов достаточно присоединить к ним ноль и фазу. Однако такое подключение может привести к аварии и опасно для людей, проживающих в доме. Для предотвращения подобных ситуаций необходимо выбрать, устанавливать и подключить системы заземления и зануления.

Питание бытовых потребителей осуществляется от понижающего трёхфазного трансформатора, имеющего напряжение на выводах вторичной обмотки 0,4кВ или 380В. Катушки этого аппарата соединены звездой, средняя точка которой подключается к контуру заземления, находящемуся в земле возле трансформаторной будки. Такой аппарат называется «трансформатор с глухозаземлённой нейтралью».

В квартиру или частный дом от трансформатора приходят как минимум два провода — ноль и фаза, соединённых с фазным выводом и средней точкой звезды соответственно. Такое подключение обеспечивает напряжение в розетках 220В.

Кроме нулевого и фазного проводов в квартирах прокладывается заземляющий проводник

, защищающий людей от поражения электрическим током при нарушении изоляции между корпусом электроприбора и частями электросхемы, находящимися под напряжением. Этот провод соединяется с системой заземления.

Такая система состоит из двух основных элементов — трансформатор и электроустановка. В простейшем случае это однофазная нагрузка, однополюсный автомат и одна фаза трёхфазного трансформатора.

Справка! Само понятие «система» происходит от др. греч. σύστημα «целое, состоящее из отдельных частей» — несколько элементов, работающих вместе и объединённых в одну конструкцию.

В этой статье рассказывается о классификации систем заземления, различии между чаще всего применяющимися видами — ТТ, TN-C и TN-C-S и про опасность применения зануления вместо заземления, а также о системах заземления TN-S и IT.

Классификация систем заземления по ПУЭ

Электроустановки (в частности трансформаторы) напряжением до 1000В по наличию систем заземления делятся на две категории, каждая из которых имеет свои сферы применения:

  1. С глухозаземлённой нейтралью. Самый распространённый тип электротрансформаторов. Вторичные обмотки соединены в «звезду», средняя точка которых имеет постоянное подключение к контуру заземления. Жилые дома питаются только от трансформаторов с таким способом заземления нейтрали.
  2. С изолированной нейтралью. Вторичные обмотки трансформаторов не заземляются. Являются разделительными и используются только в промышленности в специальных установках, таких, как нагревательные печи и некоторые другие, в которых важно отсутствие электрического соединения токоведущих частей и контура заземления.

Глухозаземлённая нейтраль в электротрансформаторах обозначается «TN». Самое распространённое защитное применение такой нейтрали — соединение с ней токопроводящих корпусов электроприборов отдельными проводами, однако они могут соединяться и другими способами.

При проектировании систем электроснабжения проектная организация выбирает тип заземления согласно полученному техническому заданию и описанию систем заземления. Этот выбор определяется ПУЭ и другими нормативными документами и от него зависит безопасность людей и приёмка здания в эксплуатацию.

Важно! Неправильный выбор вида системы заземления или некачественный монтаж приведут к требованию контролирующей организации исправить допущенные ошибки.

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.

Система TN-C

Самый старый вид системы заземления — это система TN-C. В ней отсутствует отдельный провод для заземления и оно (заземление) осуществляется общим проводом PEN. Начиная от подстанции (трансформатора) PEN провод совмещает в себе нулевой защитный и нулевой рабочий проводники (PEN = PE + N). В старых жилых домах применяется именно такое заземление.

По системе TN-C заземляются только вводные щитки в подъездах и столбы уличного освещения. В квартирах таких домов заземление в розетках отсутствует, а электропроводка выполнена двухпроводной – фаза и ноль.

Такое защитное заземление морально устарело и не обеспечивает надёжной защиты от поражения электрическим током. При необходимости заземлить электроприборы, а также во время реконструкции электропроводки заземление тип TN-C заменяется на TN-C-S.

Система TN-C-S

Защитное заземление этого типа устроено аналогично системе TN-C. Питающий трансформатор имеет глухозаземлённую нейтраль, а заземляющие провода соединяются с ней нулевым проводом PEN, который на входе в дом разделяется на нулевой проводник — N и заземляющий — PE.

Такое разделение производится только на вводе кабеля в многоквартирный дом, как правило в ВРУ (вводном распределительном устройстве). В вводном щитке эти кабеля присоединяются к общей шине или клемме. Допускается применение такой системы в частных домах, питание которых осуществляется воздушными линиями при подключении к трёхфазной сети.

Согласно ПУЭ пункт 1.7.132 разделение нулевого и заземляющего проводов в однофазной сети 220В не выполняется. При необходимости выполнить такое разделение оно производится там, где это разрешено правилами, а к дому прокладывается дополнительный провод.

То есть, если у Вас в квартире нет заземления, и вы хотите из системы TN-C сделать TN-C-S, такой способ разделения PEN проводника на просто ноли и заземление не прокатит в квартирном щитке.

Важно! Согласно ПУЭ 1.7.135 после разделения в вводном щитке провода PE и N НЕ ДОЛЖНЫ соединяться между собой.

Система TN-S

Самые дорогостоящие в реализации, но самые удобные и надёжные системы заземления — это системы TN-S, которые монтируются вместе с трансформаторами с глухозаземлённой нейтралью.

Для системы TN-S заземляющий и нулевой провода соединяются в трансформаторной подстанции. На всем протяжении больше эти проводники не связаны между собой.

К потребителю, будь то квартира или дом, приходит два независимых друг от друга проводника нулевой рабочий N и нулевой защитный PE.

Для бОльшей надёжности заземляющий провод РЕ может соединяться с контуром заземления на вводе в здание.

Это самый простой в эксплуатации тип защиты. При его монтаже отсутствуют высокие требования к контуру заземления здания.

Недостаток этой системы в необходимости вместо четырёх проводов (L1,L2,L3,РЕN) использовать пять, где пятым проводом является заземляющий PE, однако это перекрывается повышенной безопасностью эксплуатации. Поэтому новые воздушные и кабельные линии электропередач прокладываются пятижильными кабелями и проектируются по системе TN-S.

Система TT

Это такая система защитного заземления, которая выполняется при невозможности смонтировать заземление другого типа.

В этом случае нейтраль трансформатора не имеет связи с заземляющими проводами электропроводки, и они подключаются к собственному контуру заземления дома.

То есть в системе TT нулевой провод сети никак не связан с заземляющим контуром потребителя.

Случаи применения системы ТТ указаны в ПУЭ п1.7.59.

Важно! Ток, возникающий при замыкании токоведущих частей с заземлённым корпусом может быть недостаточным для срабатывания автоматического выключателя. Поэтому, согласно ПУЭ п1.7.59, применять систему ТТ без УЗО или дифференциального автомата запрещается.

Система IT

Применяется с трансформаторами с изолированной нейтралью. Обычно она соединяется с заземлением через разрядник, обладающий высоким сопротивлением при низком напряжении и низким при повышении напряжения выше допустимого предела. Это защищает потребителей от попадания первичного напряжения во вторичную обмотку.

В этой питающей сети отсутствует нулевой провод N, заземляющий РЕ и однофазное напряжение как таковое. Потребители подключаются на линейное напряжение 380 Вольт.

Данная система используется только с двух- и трёхфазными установками. Металлический корпус электрооборудования и другие токопроводящие элементы соединяются с контуром заземления здания.

Токи короткого замыкания на землю в такой системе незначительные, поэтому использование УЗО или дифференциальных автоматов является обязательным.

Система уравнивания потенциалов

В особоопасных сырых помещениях, таких, как бассейны или сауны, кроме непосредственного заземления корпусов электроприборов, используется система уравнивания потенциалов.

Она заключается в соединении между собой всех металлических частей в помещении — стальных дверей, нержавеющих раковин, водопроводных и канализационных труб и других элементов. Все эти соединённые между собой части подключаются к применяемой системе заземления.

В чём опасность применения зануления вместо заземления

Некоторые электромонтёры предлагают использовать зануление вместо заземления. Это нельзя делать по нескольким причинам:

  • Жилые дома подключаются к трёхфазной сети и по нулевому проводу течёт уравнительный ток. Так как этот провод имеет сопротивление, то между занулённым корпусом электроприбора и заземлёнными конструкциями, например водопроводным краном, имеется разность потенциалов. В обычных условиях это неопасно, но при прикосновении к воде или мокрой земле можно получить электрическим током.
  • При обрыве нулевого провода и неравномерной нагрузке между нулём и фазой может быть не 220В, а больше, вплоть до 380В. В этом случае между занулённым корпусом электрооборудования и заземлёнными конструкциями появится опасное для жизни напряжение 220В.
  • Нулевой и фазный провода подключаются к квартире через двухполюсный автоматический выключатель. При его срабатывании нулевой провод N, используемый в качестве заземляющего проводника, отключается от контура заземления. Это недопустимо по требованиям ПУЭ п1.7.145

К отдельно стоящему зданию может быть подведено не однофазное напряжение 220В, а трёхфазное с тремя фазными и одним нулевым проводами. В этом случае есть возможность переделки защитного зануления в систему заземления TN-C-S.

Вывод

Системы TT и IT также являются системами с заземлением. В них заземляющий провод РЕ не имеет электрической связи с нейтралью трансформатора.

Системы заземления TN всех видов считаются системами с занулением. В них заземляющий провод РЕ связан каким-либо способом с нейтралью питающего трансформатора и проводником N:

  1. В системе TN-C-S заземляющие жёлтые или жёлто-зелёные провода подключены к проводнику PEN. Он проложен от нейтрали трансформатора к вводному щитку в здании.
  2. В системе TN-C заземляющий проводник РЕ совмещён с нейтральным проводом N, поэтому к нему корпуса электроприборов не подключаются. Для их заземления защитное заземление типа TN-C необходимо переделать в TN-C-S.
  3. Система TN-S является самой надёжной. В ней провода РЕ и N разделены на всём протяжении от электроприбора до нейтрали питающего трансформатора.

Нет системы заземления, идеально подходящей для всех ситуаций. Каждая из них обладает своими достоинствами и недостатками, но у всех одна задача — обеспечение максимальной безопасности людей. Для выбора типа защиты необходимо знать, какие бывают системы заземления и зануления.

Похожие материалы на сайте:

Понравилась статья — поделись с друзьями!

 

Система заземления TN-S. Схема подключения, описание системы TN-S

Самой эффективной системой защитного заземления, обеспечивающей максимальную защиту людей от поражения электрическим током, является система заземления TN-S.

Раньше в жилых зданиях использовалось заземление морально устаревшего типа TN-С и ГОСТ Р50571 рекомендует заменить его новой, более современной системой защиты. В этой статье рассказывается про особенности системы TN-S, схемах подключения к ней электроприборов, а также о достоинствах и недостатках этого вида защиты.

Описание системы заземления TN-S

Этот вид защитного заземления первоначально был внедрён в 30-х годах ХХ века в европейских странах, где уже более 50 лет является основным. Перед российскими электрокомпаниями сейчас ставится задача перевести на эту схему защиты всех потребителей.

Система заземления TN-S проектируется и устанавливается во всех новых кабельных и воздушных линиях, а так же при замене существующих сетей.

Для этого вместо четырёхжильного провода (A,B,C,PEN) на всём протяжении от трансформаторной подстанции до ввода в здание прокладывается пятижильный кабель (A,B,C,N,PE). В квартиру в этом случае ввод осуществляется трёхжильным проводом (L,N,PE).

Описание системы заземления TN-S имеется в ПУЭ п.1.7.132. В данной схеме нулевой защитный (N) и нулевой рабочий (PE) проводники не связаны между собой на всем протяжении. К потребителю от источника питания приходит три фазы, ноль и заземление, либо фаза, ноль, заземление (при однофазном питании).

Вместо заземления этого типа при реконструкции имеющихся сетей допускается монтаж более простой и дешёвой схемы TN-C-S.

Дело в том, что перевод существующих линий на схему TN-S обходится достаточно дорого. При этом требуется полная замена вводных кабелей с 4 жильных на 5 жильные или реконструкция всех столбов и прокладка дополнительного провода воздушной линии.

Информация! Любая система заземления, применяемая в жилом фонде, предусматривает подвод заземляющего проводника РЕ к квартире и разводку его по всем комнатам и розеткам.

Схема электроснабжения системы TN-S

Система заземления TN-S имеет ряд особенностей, отличающих её от защиты других типов:

  • Нейтральный провод N отделён от заземляющего РЕ на всей длине. Этим она отличается от системы TN-C-S, в которой проводники объединены в линии от подстанции до вводного щита в доме. Единственное место их соединения — заземлённая средняя точка вторичных обмоток питающего трансформатора.
  • Заземляющий провод во вводном щите допускается не заземлять. Вместо этого выполняется система уравнения потенциалов (СУП). Основным заземлителем является глухозаземлённая нейтраль трансформатора, в отличие от заземления TN-C-S, при котором в каждом здании необходимо иметь свой контур заземления, с которым соединяется место разделения PEN-проводника.
  • При обрыве нейтрального провода в любой точке напряжение на корпусе электроприборов отсутствует. Благодаря этому система TN-S является лучшей защищитой потребителей от поражения электрическим током.

Подробно схема заземления TN-S и требования к ней описаны в ПУЭ п. 1.7.3 и показана там же, на рис. 1.7.2.

Название системы TN-S указывает на её основные конструктивные особенности:

  1. 1. T (terre — земля) — цепи электропитания заземлены;
  2. 2. N (neuter — нейтраль) — система соединена с нейтралью источника питания;
  3. 3. S (separated — раздельный) — нейтральный проводник N разделён с заземляющим РЕ.

В этой схеме защиты исключено попадание питающего напряжения на корпус оборудования. При отгорании нулевой клеммы в щите, обрыве нейтрали или отключении двухполюсного автоматического выключателя в однофазной сети провод РЕ остаётся соединённым с заземлением.

Отсутствие соединения с заземлением после вводного автомата позволяет использовать УЗО или дифференциальный автомат. Работа этих устройств основана на первом правиле Кирхгофа, согласно которому ток в нейтрали в трёхфазной сети равен алгебраической сумме токов всех фаз. В однофазной сети ток в нейтральном проводе равен току в фазном.

При нарушении изоляции или прикосновении человека к токоведущим частям это равенство нарушается и появляется ток утечки, что приводит к срабатыванию защиты. Его величина зависит от места установки и составляет 30-100мА.

Принцип работы системы заземления TN-S

Электрическая схема питания электроприборов, подключённых к системе TN-S, а аналогична обычной схеме электроснабжения, которая использовалась со времён Теслы и Эдисона. Отличие заключается в наличии дополнительного провода, соединяющего корпус оборудования со средней точкой вторичной обмотки трансформатора. Разделение нейтрали N и заземления РЕ позволяет исключить попадание высокого напряжения на непредназначенные для этого части электроприборов.

В системе заземления TN-S нейтраль трансформатора соединяется с заземляющими устройствами напрямую, без автоматов или рубильников. Такая нейтраль называется «глухозаземлённой».

Согласно ГОСТ Р 50571.1-2009 п.312.2.1.1, заземлять проводник РЕ в дальнейшем нет необходимости. Однако при монтаже этой схемы следует учесть требования ПУЭ п.7.1.87, согласно которым в водном щитке этот провод присоединяется к системе уравнения потенциалов СУП.

Для этого соединяются следующие элементы:

  1. провод РЕ, приходящий из трансформаторной подстанции;
  2. стальные трубы коммуникаций, в том числе те, в которых проложены кабеля;
  3. металлические элементы конструкции и инженерных сооружений.
  4. корпус вводного электрощита и этажных щитков.

При пробое изоляции на корпус через заземление начинает идти ток, что вызывает отключение автоматического выключателя. Если же он недостаточен для срабатывания защиты то, благодаря заземлению, напряжение на корпусе будет отсутствовать. Это позволит избежать электротравмы, а появляющийся при этом ток утечки вызовет срабатывание УЗО.

Соединение большинства бытовых электроприборов с заземлением происходит в розетках с заземляющим контактом, во время монтажа к которому присоединяется провод РЕ.

Важно! В системах защитного заземления TN-S и TN-C-S розетки подключаются трёхжильным кабелем. К заземляющему контакту присоединяется провод с жёлтой или жёлто-зелёной изоляцией.

Достоинства системы TN-S по сравнению с другими системами

На сегодняшний день система защитного заземления TN-S обеспечивает максимально возможную защиту людей от поражения электрическим током. Её надёжность можно ещё больше повысить, если дополнительно установить систему уравнивания потенциалов и подключить УЗО или дифавтомат.

Дополнительное достоинство этого вида защиты в отсутствии необходимости устанавливать контур заземления в каждом доме. Такие заземления, согласно ПТЭЭП п.2.7.9., требуют ежегодной проверки своего состояния. Естественно, в большинстве случаев она проводится формально или не производится совсем, что не делает проживание в доме более безопасным.

Ещё одно преимущество заключается в том, что вся электронная аппаратура, находящаяся в металлическом заземлённом корпусе, оказывается защищённой от высокочастотных помех. Такие помехи создают электробритвы, пылесосы, электросварка и другая аппаратура. Поэтому эту систему предпочитают работники, имеющие дело с компьютерными сетями, телевидением, звукозаписывающей и радиолокационной аппаратурой.

Единственный, но существенный, недостаток этой системы заключается в её более высокой цене, поэтому допускается использовать вместо схемы TN-S уже установленное заземление типа TN-C-S.

Заключение

Подводя итог статье можно увидеть, что система TN-S является лучшей из существующих видов заземления и должна применяться во всех новых электросетях. При невозможности заменить на эту схему существующие линии электропередач следует использовать схему TN-C-S.

Похожие материалы на сайте:

Понравилась статья — поделись с друзьями!

 

: Системы заземления: разновидности и применение

Заземление – специальное электрическое соединение конкретной точки сети, электрооборудования с заземляющим устройством. Электрики при помощи него добиваются защиты от опасного влияния тока путем снижения напряжения прикосновения до безопасного для живых организмов.

Также заземление используются для эксплуатации земли в качестве проводника (к примеру, в проводной электросвязи). Типовая система состоит из заземлителя, благодаря которому происходит прямой контакт с поверхностью, и заземляющего проводника. При проектировании, установке и использовании техники, оборудования и осветительных сетей одним из важнейших факторов обеспечения стабильной работы и безопасности является точный расчет и монтаж заземления.

Обозначения систем

Главный регламент эксплуатации всех систем заземления на территории РФ является ПУЭ. Он писался с учетом принципов работы, видов и способов устройства разных заземляющих устройств, одобренных отдельным протоколом Международной электротехнической комиссии. Так, были введены некоторые обозначения, основанные на сочетании первых букв слов французского происхождения:

  • Terre – земля;
  • Neuter – нейтраль;
  • Isole – изолирование.

Также используются и английские слова вроде «combined» и «separated» (пер. комбинированный и разделенный). Пояснения:

  • Т – заземление;
  • N – подключение к нейтрали;
  • I – изолирование;
  • С – комбинирование функций, соединение функционального и защитного нулевых проводов;
  • S – раздельная эксплуатация функционального и защитного нулевых проводов во всей системе.

В названиях эксплуатируемых систем специального заземления по первой букве удается определить способ отвода электрической энергии из источника (генератора и др.), а по второй – потребителя. Чаще всего разделяют TN, TT, IT разновидности. Первая из них также делится на три более мелких типа: TN-C, TN-S, TN-C-S.

Аббревиатуры и расшифровка обозначений дают общее знание о системах, но для глубокого понятия каждое заземление нужно рассматривать отдельно.

Системы с глухонемой нейтралью

Обозначение схем, в которых для соединения нулевых функциональных и защитных проводников эксплуатируется общая глухозаземленная нейтраль источника или понижающего трансформатора. Тут все корпусные элементы, способные передавать энергию и экраны потребителя обязательно соединяются с общим нулевым проводником, подключенным к этой нейтрали. Согласно ГОСТУ, нулевые проводники разного формата также помечают латинскими обозначениями:

  • N – рабочий ноль;
  • PE – защитный ноль;
  • Комбинирование рабочего и защитного нулевых проводников – PEN.

Интересно! Принцип работы каждой системы заземления разный, потому правила не разрешают эксплуатировать конкретные типы заземления до проверки соответствия нормам определенных электрических сетей.

Виды и их назначение

Типы заземления:

ТN и ее разновидности

Это самая часто используемая система, в которой ноль совмещен с землей по всей длине. Особенности такой схемы в том, что для ее обустройства рядом с трансформатором должен находиться вспомогательный реактор. Его цель – гашение дуги, образующейся в проводке.

Система TN делится на 3 подтипа: -С, -S, -CS.

TN-C характеризуется тем, что для обеспечения безопасности задействован один комбинированный проводник, в котором предусмотрена и земля и нейтраль. Схему чаще обустраивают в жилых зданиях, в промышленных помещениях и др.

Отличительные характеристики:

  1. Среди преимуществ выделяется простота монтажа – подобное заземление можно устроить без профессиональных навыков;
  2. Заметным недостатком считается отсутствие отдельного провода заземления. В панельном доме подобное решение может стать не только неэффективным, но и опасным. Также, когда напряжение проходит по незащищенным проводникам, они могут оказаться под током. Во избежание этого мастеру придется отдельно выстроить защитное зануление.
  3. Перед началом работ должны проводиться тщательные расчеты сечения проводников.
  4. Схема не позволяет выполнять выравнивание потенциалов.
  5. Чаще система применяется на дачах, в старых квартирах или частных домах. В современных зданиях схема встречается реже, так как она не соответствует техническим требованиям.

Теперь рассмотрим систему TN-S. Если сравниваться с –С, -S отличается большей безопасностью в бытовом плане. Она проводится по  двум проводникам: заземление и зануление. Если монтируется проводка в новом здании, то лучше остановиться именно на этом раздельном варианте – он лучше подходит для строения жилого дома.

Тянется заземление от трансформаторной подстанции, где напрямую подсоединено к заземляющему контуру. Это усложняет работы при монтаже. Кроме этого техническое проектирование и требования регламента заставляют использовать 3-х или 5-ти жильный кабель при реализации этой схемы.

Для упрощения заземления была разработана система, включающая преимущества и нивилирующая недостатки систем –С и –S – это TN-C-S. Тут имеется нулевой провод, как в TN-C, но он раздельный, как в TN-S. Благодаря такому решению происходит мгновенная реакция отвода напряжения в случае опасной ситуации.

Также эта система не требует монтажа дорогостоящего пятижильного кабеля и может быть использована в любых зданиях с разными сечениями проводников. Заземление обустраивается по стоякам в подъезде, потому заранее нужно оформить разрешение у энергоснабжающей организации. К недостатку можно отнести то, что при обрыве PEN проводника, заземляющий провод может оказаться под напряжением.

ТТ

При подаче электричества по стандартной для районов сельской и загородной местности линии – по воздуху, сложно добиться должного уровня защиты. Тут все чаще выбирают схему ТТ, которая подразумевает передачу 3-х фазового напряжения по 4 проводам (последний – это функциональный ноль).

Со стороны потребителя монтируется местный, часто модульно-штыревой заземлитель. К нему подсоединяются все проводники защитного заземления РЕ, связанные с корпусными элементами.

Эта схема совсем недавно была разрешена к обустройству на территории России, но уже успела распространиться по сельской местности для обеспечения подачи электричества потребителям. В городах система ТТ чаще применяется при подводке энергии к точкам оказания услуг и розничной торговли.

Изолированная нейтраль – IT

Все перечисленные виды заземления связаны одной особенностью – нейтраль соединяется с землей, что делает их надежными, но сказывается в виде проблемы прокладки четвертого провода. Более дешевым и практичным решением считаются схемы, в которых нейтраль совсем не связывается с землей.

Один из примеров – систем IT. Такой вариант подключения обычно монтируется в зданиях медицинского назначения для подачи энергии в технику жизнеобеспечения, на заводах по нефтепереработке и энергетике, научных центрах с крайне чувствительными приборами и других важных строениях.

Классическая схема, главной чертой которой считается изолированная нейтраль от источника, а также имеющийся на стороне потребитель контура защитного заземления (IT). Напряжение с одной стороны в другую передается по минимально возможному числу проводов, а все токопроводящие элементы корпуса техники-потребителя обязательно надежно соединены с заземлителем. Нулевой функциональный проводник на отрезке от потребителя к источнику в варианте схемы IT не предусмотрен.

Безопасность и заземление

Все ныне эксплуатируемые системы заземления разработаны для максимальной безопасности и надежности использования электрической техники и оборудования, а также для исключения случаев увечий людей путем получения травмы током.

При расчетах и проектировании схем все должно быть продумано максимально точно, что максимально снизить риск образования напряжения на корпусах приборов – оно опасно для жизни живых организмов. Система должны или нейтрализовать опасный потенциал на поверхности предмета, либо обеспечить срабатывание механизмов защиты в срочном порядке. Любая ошибка может стоить человеческой жизни.

Контур защитного заземления. Схема, фото, пояснения

Автор Alexey На чтение 7 мин. Просмотров 2.8k. Опубликовано Обновлено

Контуром заземления называют находящееся в земле соединение горизонтальных и вертикальных заземлителей (электродов).

Совокупность помещённых в грунт электродов и заземляющего провода, который соединяет данный контур и главную заземляющую шину (ГЗШ) являет собой заземляющее устройство (ЗУ). Важнейшей характеристикой ЗУ является переходное сопротивление (металлосвязь) и сопротивление контура растеканию токов в земле.

От качества выполненных работ зависит заземление каждой розетки в доме и надёжность молниезащиты.

Расчет контура

Сопротивление контура заземления зависит от:

  •  параметров заземлителей: длины, площади контакта, количества электродов, расстояния между ними;
  •  длины соединяющих заземлители проводников;
  •  удельного сопротивления грунтов;
  •  влажности почвы;
  •  солёности грунта;
  •  температуры времени года;

Чтобы правильно выполнить все расчеты, необходимо иметь инженерное образование, и разобрать множество формул.

Из практического опыта известно, что ни одна из методик расчета не учитывает в полной мере все факторы, поэтому после выполнения работ результаты измерений практически всегда неожиданны. Поэтому часто пользуются типичным проектом, проверяя соответствие параметров у готового контура.

Естественно, что в отношении контура заземления для электростанции или большого производства расчеты обязательны, но для бытового использования можно выбрать подходящую схему заземляющего устройства и качественно её воплотить в металле, правильно выбрав место установки.

Даже без произведения расчётов из таблицы можно понять, какой тип грунта будет лучше всего для заземляющего устройства.

Как правило, в частном секторе для заземления используют одноконтурную схему, которая состоит из трёх вертикальных штырей, труб или уголков, соединённых между собой стальными полосами.

Использование одноконтурного заземления для частного дома

Соединение электродов в заземляющем устройстве выполняется в виде горизонтального равностороннего треугольника с вертикальными заземлителями, находящимися на его вершинах.

Типичная схема заземления небольшого частного дома

Такой проект заземляющего контура подходит для большинства небольших коттеджей и дачных домиков, получаемых однофазное энергоснабжение, выполненное по схеме TN-С-S, с повторным заземлением и разделением совмещённого нулевого провода PEN системы TN-С.

Но намного более надёжной будет схема с несколькими контурами, из-за того, что в одном месте свойства грунта могут измениться, он может высохнуть в жару, или промёрзнуть зимой, также вследствие проведённых рядом земляных работ могут измениться подземные водяные потоки.

Схема двойного контура зземления

Наиболее лучшей схемой традиционного заземляющего контура является кольцевая, или прямоугольная, обустроенная вокруг дома.

Заземление сделанное по периметру , самое надежное

Внутренний контур является ГЗШ и обеспечивает более рациональное подключение защитного провода PE к розеткам и корпусам электрооборудования. Для обустройства внешнего контура необходимо отойти от здания на расстояние не менее полторы – двух метров. Такую же схему используют для контура заземления трансформаторной подстанции.

Схема заземления Трансформаторного пункта

Для более сложных зданий горизонтальные заземлители прокладывают по периметру фундамента, на отдалении, требующемся, чтобы не вызвать осадку грунта при земляных работах.

Также применяют контур заземления в виде сетки.

Земляные работы

Поскольку контур заземления прокладывается в земле, то без земляных работ не обойтись.

Копают траншеи или яму глубиной ниже полуметра, вбивают в дно вертикальные электроды и прокладывают горизонтальные заземлители также по дну, соединяя в единый контур.

Контур заземления по типу треугольника по вершинам вбиты вертикальные заземлители

 

Засыпают траншею однородным грунтом без камней и мусора, утрамбовывая. Часто при прокладке вводной подземной линии электропередач, чтобы сэкономить на земляных работах, прокладывают горизонтальный линейный заземлитель в данной траншее, с установкой вертикальных электродов.

Зазыпка контура заземления и вывод на шину РЕ

В данном случае необходимо будет поверх установленного заземляющего контура насыпать подушку из грунта, плотно утрамбовав, после чего насыпают прослойку из песка, для прокладки кабеля. Самое главное при данных обстоятельствах проследить, чтобы выступающие части заземлителей не соприкасались и не повредили кабель.

Независимо от типа ЗУ, его установка должна производиться ниже точки промерзания грунта, из-за того, что замерзшая вода в почве в виде льда перестаёт быть проводником, и заземление теряет эффективность.

Установка Заземляющего контура ниже точки промерзания грунта и в скале

Данное обстоятельство не имеет никакого значения в случае применения глубинных заземлителей, которые устанавливаются в скважинах на значительную глубину 20-50 м.

Материалы заземлителей и заземляющего проводника

Применяют для электродов стальной металлопрокат, или медные проводники. Не допускается применение алюминия в качестве электродов. Использовать алюминиевый кабель в качестве заземляющего проводника допускается лишь в изоляции, защищающей жилу от коррозии, но в этом случае придётся уделить повышенное внимание герметизации болтового соединения.

Для соединения электродов применяют тот же вид металлопроката, что и при сборке заземлителей.

Использование заземлителей, покрытых медью.
В данной таблице не указан сравнительно новый, инновационный материал для заземлителей –омеднённые прутки, покрытые тонким слоем (0,275 мм) меди.

стальной пруток покрытый медью для вертикального заземлителя

Для данного материала следует применять параметры, указанные для оцинкованной стали.

Выпускаются такие заземлители в виде комплектов для быстрого монтажа заземляющего устройства.


Примечательно, что с их помощью можно монтировать глубинные заземлители без бурения скважин – на первый штырь навинчивается острый наконечник, который облегчает прохождение электрода в грунт.

При помощи соединительной муфты прикручивается ударопрочная головка, Не дающая металлу и резьбовому соединению разрушаться при ударах.

По мере углубления, головку отвинчивают, вкручивают новый стержень, на него прикручивают другую муфту, снова присоединяют головку и продолжают процесс забивания модульного заземлителя до требуемой глубины.

Часто для облегчения работ, вместо кувалды используют вибромолот. К последнему штырю крепят заземляющий провод или горизонтальный заземлитель, прокладываемый в виде полосы, покрытой медью, при помощи специального хомута.

Модульная установка заземляющего контура

Такой монтаж позволяет обойтись без сварочных работ, производится достаточно быстро. Минусом может быть недобросовестная затяжка болтов, поэтому в месте крепежа будет не лишним предусмотреть небольшие колодцы для проведения технологического осмотра и подтяжки соединений.

Схема контура модульного заземляющего контура

Контур заземления из стального металлопроката

Наиболее подходящим видом проката в качестве материала для вертикальных заземлителей будет уголок или труба (круглая или профильная). Для облегчения забивания уголок или трубу надрезают под углом 30-45º.

заостренный уголок для вертикального заземлителя

Больший угол затруднит прохождение плотных слоёв грунта, а при меньшем возможно загибания металла на кончике. Забивают заземлители в дно траншеи или ямы при помощи кувалды или вибромолота. Металл от ударов кувалды неизбежно расклепается, но это не страшно – главное хорошо проварить место соединения вертикального и горизонтального заземлителя.

Вибромолот для забивания вертикального заземлителя

Проверка контура заземления

Проверяют сварные швы, простукивая их молотом, а затяжку гаек при помощи ключа. Измерять сопротивление должны производить специалисты лицензированной электрической лаборатории, они же выдадут акт.

В системе TT чем меньше сопротивление, тем лучше, но в отношении TN-С-S не стоит, чтобы сопротивление было меньше чем у трансформаторной подстанции – 4 Ом, иначе вся нагрузка на заземление воздушной линии ляжет на данный домашний контур.

Оборудование для измерений слишком дорого, поэтому существует народный метод – в идеале контур должен обеспечивать работу домашних электроприборов на максимально возможном для автомата токе. Для этого один провод от переносной розетки подключат к фазе, а другой к контуру заземления, и в розетку включают нагрузку.

На практике контур считается хорошим, если подключаемый между фазой и заземлением электронагревательный прибор мощностью 2 кВт будет исправно работать, и падение напряжения между фазой и заземлением будет не больше 10 В. Но надо быть очень осторожным, проводя такие манипуляции и не находиться в этот момент вблизи контура.

Как подключить заземление | Для дома, для семьи

Здравствуйте, уважаемые читатели сайта sesaga.ru. В этой статье мы будем с Вами разбираться, как подключить заземление. Эта тема довольно-таки обширная и имеет множество нюансов, и здесь так просто не скажешь — делай так или подключай сюда. Поэтому, чтобы Вы понимали меня, а мне было легче Вам объяснить, будет и теория и практика.

Заземление в нашей современной жизни является неотъемлемой частью. Конечно, можно обойтись и без заземления, ведь, сколько мы жили без него. Но, с появлением современной бытовой техники, заземление является просто обязательным условием для защиты человека от поражения электрическим током.

Общие понятия.

Заземление – преднамеренное электрическое соединение какой-либо точки сети, электроустановки или оборудования с заземляющим устройством.

Заземление предназначено для отвода токов утечки, возникающих на корпусе электрооборудования при аварийном режиме работы этого оборудования, и обеспечение условий к немедленному отключению напряжения с поврежденного участка сети путем срабатывания устройств защитного и автоматического отключения.

Например: произошел пробой изоляции между фазой и корпусом электрооборудования — на корпусе появился некоторый потенциал фазы. Если оборудование заземлено, то это напряжение потечет по защитному заземлению, обладающему низким сопротивлением, и даже, если не сработает устройство защитного отключения, то при прикосновении человека к корпусу, ток, который остался на корпусе, будет не опасен для человека. Если же оборудование не заземлено — весь ток потечет через человека.

Заземление состоит из заземлителя и заземляющего проводника, соединяющего заземляющее устройство с заземляемой частью.

Заземлителем является металлический стержень, чаще всего стальной, или другой металлический предмет, имеющий контакт с землей непосредственно или через промежуточную проводящую среду.

Заземляющий проводник – это провод, соединяющий заземляемую часть (корпус оборудования) с заземлителем.

Заземляющее устройство – это совокупность заземлителя и заземляющих проводников.

Немного теории.

Все Вы видели во дворах небольшие кирпичные сооружения, в которые заходят и выходят силовые кабеля — это трансформаторные подстанции (электроустановки). Трансформаторные подстанции служат для приема, преобразования и распределения электрической энергии. Любая подстанция имеет силовой трансформатор, служащий для преобразования напряжения, распределительные устройства и устройства автоматического управления и защиты.

Принимая высоковольтное напряжение сети 6 – 10 kV (киловольт) подстанция преобразует его и передает потребителю — то есть нам. Прием и преобразование напряжения обеспечивает силовой трансформатор, с выхода которого к потребителю уходит трехфазное переменное напряжение 0,4 kV или 400 Вольт.

Для питания домашнего однофазного оборудования (телевизор, холодильник, утюг, компьютер и т.д.) используется одна из трех фаз L1; L2; L3 и нулевой рабочий проводник «N».

Это стандартная схема обеспечения потребителей электрической энергией, на базе которой были разработаны дополнительные схемы, различающиеся по способу подключения защитного заземления, подключения и защиты электрооборудования, а также принятых мер для защиты людей от поражения электрическим током.

Трансформаторная подстанция имеет свой контур заземления, к которому подключены все металлические корпуса оборудования подстанции. Контур заземления представляет собой вбитые в землю металлические стержни, связанные между собой металлической шиной при помощи сварки. Эту шину называют шиной заземления.

Шина заземления заводится в здание подстанции и прокладывается по периметру здания. К ней привариваются болты, к которым уже через заземляющие проводники подключается все оборудование подстанции.

Согласно ПУЭ (Правила Устройства Электроустановок) заземляющий проводник (нулевой защитный) на электрических схемах имеет буквенное обозначение «РЕ» и цветовую маркировку с чередующимися поперечными или продольными полосами желтого и зеленого цветов.

Системы заземления.

Системы заземления различаются по способу заземления нулевого рабочего «N» проводника на вторичной обмотке силового трансформатора и потребителей электрической энергии (двигатель, телевизор, холодильник, компьютер и т.д.), питающихся от этого трансформатора.

Рассмотрим на примере трансформаторной подстанции.
Вторичная обмотка силового трансформатора подстанции имеет три катушки соединенные «звездой», где начала катушек соединяются в общую точку, называемую нейтралью «N», которая непосредственно соединена с заземляющим устройством.

Свободные концы катушек подключаются к проводам трехфазной сети, уходящей к потребителям трехфазной или однофазной электрической энергии. Такое соединение нейтрали называется глухозаземленной и используется в системах заземления типа TN.

Здесь нейтраль «N», или еще ее называют рабочий ноль, выполняет две функции:

1. Совместно с одной из трех фаз образует напряжения 220 Вольт.
2. Выполняет защитную функцию, так как имеет прямой контакт с землей.

На данный момент существует 3 типа систем заземления:

1. TN – система, в которой нейтраль трансформатора заземлена, а открытые проводящие части присоединены к нейтрали;
2. TT — система, в которой нейтраль трансформатора заземлена, а открытые проводящие части заземлены при помощи заземляемого устройства, электрически независимого от заземленной нейтрали трансформатора;
3. IT — система, в которой нейтраль трансформатора изолирована от земли или заземлена через устройства, имеющие большое сопротивление, а открытые проводящие части заземлены.

Все три системы заземления разработаны для защиты людей и электрооборудования от действия электрического тока. Данные системы заземления считаются равноценными для защиты людей, но они не равноценны по способу обеспечения надежности (безотказности, ремонтопригодности) электроснабжения потребителей электрической энергией.

Обозначаются системы заземления двумя буквами.
Первая буква определяет связь нейтрали трансформатора с землей:

T – нейтраль заземлена;
I – нейтраль изолирована от земли.

Вторая буква определяет связь открытых проводящий частей с землей:

T – открытые проводящие части непосредственно заземлены;
N – открытые проводящие части присоединены к глухозаземленной нейтрали трансформатора.

Теперь рассмотрим все системы по порядку.

1. Система заземления TN.

Система «TN» — это система, в которой нейтраль трансформатора заземлена, а открытые проводящие части присоединены к нейтрали посредством нулевых защитных проводников.

Открытая проводящая часть – доступная прикосновению проводящая часть электроустановки (например: корпус бытовых электроприборов), которая в нормальном режиме работы электроустановки не находится под напряжением, но может оказаться под напряжением в случае повреждения изоляции.

Как правило, повреждение изоляции может быть вызвано многими факторами: это и старение оборудования, механические повреждения, длительная эксплуатация при максимальных нагрузках, скопление пыли между корпусом оборудования и токоведущими частями, образование влаги на пыльной поверхности, находящейся рядом с токоведущими частями, климатическое воздействие, заводской брак и т.д.

Так вот, в свою очередь система TN разделяется еще на три подсистемы:

1. TN-C — система, в которой нулевой защитный «РЕ» и нулевой рабочий «N» проводники совмещены в одном проводнике «PEN» на всем протяжении системы;
2. TN-S — система, в которой нулевой защитный «РЕ» и нулевой рабочий «N» проводники разделены на всем протяжении системы;
3. TN-C-S — система, в которой функции нулевого защитного «РЕ» и нулевого рабочего «N» проводников совмещены в одном проводнике в какой-то ее части, начиная от силового трансформатора.

Система TN-С.

Система TN-C — это одна из первых систем заземления, которая еще встречается в старом жилищном фонде построенном до середины 90-х годов, но, не смотря на это, она еще существует и действует. Эта система прокладывается четырехпроводным кабелем, в котором идут 3 фазных провода и 1 нулевой.

Здесь нулевой защитный «РЕ» и нулевой рабочий «N» проводники совмещены в одном проводнике на всем протяжении системы. То есть, для питания электрооборудования и его заземления используется один «PEN» проводник, и это на сегодняшний день является главным недостатком системы TN-C.

В то время практически не было электрооборудования требующего трехпроводное подключение и поэтому к защитному заземлению не придавалось особых требований, и такая система считалась надежной. Но с появлением в нашем быту современного трехпроводного оборудования, где предусмотрен заземляющий проводник «РЕ», система TN-C перестала обеспечивать нужный уровень электробезопасности.

На сегодняшний день, практически вся современная техника питается через импульсные блоки питания, которые не имеют гальванической развязки с сетью 220 Вольт.

Это связано с тем, что в импульсных блоках питания есть помехоподавляющие фильтры, которые предназначены для подавления высокочастотных помех питающей сети 220 Вольт, и которые через развязывающие конденсаторы соединены с корпусом оборудования.

Высокочастотные помехи, возникающие в питающей сети, через развязывающие конденсаторы, провод защитного заземления «PE», трехполюсную вилку и розетку стекают на «землю». Вот поэтому возникает опасность появления фазного напряжения на корпусе оборудования при пробое изоляции между фазой и корпусом или пропадании рабочего нуля «N» при питании современной техники используя систему заземления TN-C не имеющей отдельного проводника защитного заземления «РЕ».

Например: если оторвется или отгорит между этажным и квартирным щитом Ваш рабочий ноль «N», то возникает опасность появления фазового напряжения на корпусе, работающего в данный момент бытового оборудования. И если оно не будет заземлено, то при прикосновении к металлическому неокрашенному корпусу голой рукой, через Вас потечет ток, и Вы получите заряд.

Хотя, благодаря импульсным блокам питания современная техника стала меньше, дешевле и легче, но и, естественно, требования в отношении уровня электробезопасности стали уже выше.

Но, как говорится, спасение утопающих дело рук самих утопающих, и поэтому некоторые умельцы, чтобы обезопасить себя, тянут заземление самостоятельно. Одни садятся на батареи центрального отопления, другие подключаются к корпусу этажного щита, ставят перемычку в розетке, устанавливают УЗО, а некоторые даже делают свой контур заземления.

Например: Вы подключились третьим проводником к корпусу этажного щита и думаете что заземлились. Это большое заблуждение. Вы сделали зануление — и не более того.

Защитное зануление – это преднамеренное электрическое соединение открытых проводящих частей электроустановки (например, корпус оборудования) с глухозаземленной нейтралью генератора или силового трансформатора, выполняемое в целях электробезопасности.

Глухозаземленная нейтраль – это нейтраль трансформатора, присоединенная непосредственно к заземляющему устройству.

Так вот, зануление на корпус этажного щита опасно тем, что в случае обрыва Вашего рабочего нуля «N» питание бытовых приборов, включенных в данный момент в розетку, будет проходить уже через защитный проводник «РЕ».

А это уже неправильная схема питания для бытовых приборов, которая приведет к короткому замыканию и поломке всей техники. Автомат защиты сработает, но только от тока короткого замыкания, который создаст Ваша уже сгоревшая техника. А если в этот момент Вы возьметесь за металлический неокрашенный корпус, то вдобавок, на мгновение, получите заряд бодрости.

Хотя в ПУЭ №7 зануление допускается и считается дополнительной мерой защиты. Но опять же возникает вопрос: в каком месте делать зануление. Здесь решать Вам.

Другой пример.
Вы подключились к батарее центрального отопления, пытаясь таким-образом обмануть счетчик или заземлиться. На Вашем стояке сосед снизу делает ремонт и заменил старые ржавые трубы на пластиковые. Как итог — Вы оказались отрезанными от Вашей мнимой земли. Теперь Вы и соседи сверху будут находиться в постоянной опасности.

Или еще пример.
Вы учли все нюансы и решили заземлиться другим способом. В подвале дома или возле дома вырыли яму, вбили штыри, сделали по всем правилам контур заземления, и заземляющий проводник «РЕ» провели к себе в квартиру. Все, дело сделано, и теперь можно спать спокойно. А вот и нет.

Вдруг Ваш сосед задумал подшутить над Вами из вредности или просто из зависти, что у Вас есть заземление, а у него его нет. Возьмет и отрежет заземляющий проводник. Или ответственный по дому увидит неположенный по проекту провод и уберет его, а Вы живете и знать не знаете, что остались без заземления. К тому же еще заземление должно периодически проверятся специальными приборами. Вы это будете делать? У Вас есть такие приборы?

Как вариант защиты Вы установили в двухпроводную линию УЗО. В принципе, это не такой уж плохой вариант, но тоже имеет свои нюансы.

УЗО срабатывает на токи утечки 10 mA, 30 mA и 300 mA, но для этого ему нужен защитный проводник «РЕ», относительно которого УЗО видит эти токи. В системе TN-C защитного проводника «РЕ» нет, зато он есть в системе TN-S, для которой и было разработано УЗО. На двухпроводной линии УЗО тоже сработает, но через ток утечки, который Вы создадите своим телом.

Возьмем, к примеру, все тот же пробой изоляции на корпус, и при этом, одновременное прикосновение к оголенной батарее центрального отопления.

В системе TN-S ток утечки, возникший на корпусе, сразу пойдет по защитному проводнику «РЕ», и если его порог превысит уставку УЗО, то оно сработает и отключит питание. И даже, когда для УЗО порог будет маленький и оно не сработает — Вы ничего не почувствуете, или Вас будет просто немного пощипывать.

В системе TN-C другой случай. При одновременном касании к корпусу и оголенной батарее центрального отопления через Вас на батарею потечет ток. Если будет стоять обыкновенный автомат, то Вы, в зависимости от силы тока, так и останетесь висеть между двух огней, так как проходящий через Вас ток не будет являться током короткого замыкания. Если же будет стоять УЗО, то по достижению порога уставки оно сработает и отключит питание.

И вот здесь наступает момент истины: УЗО, в системе TN-C, от поражения электрическим током Вас не спасет. Свой заряд бодрости Вы получите. Вопрос только во времени нахождения под действием электрического тока.

В ПУЭ №7 по поводу установки УЗО в систему TN-C сказано:

1.7.80. Не допускается применять УЗО, реагирующие на дифференциальный ток, в четырехпроводных трехфазных цепях (система TN-C). В случае необходимости применения УЗО для защиты отдельных электроприемников, получающих питание от системы TN-C, защитный РЕ-проводник электроприемника должен быть подключен к PEN-проводнику цепи, питающей электроприемник, до защитно-коммутационного аппарата.

Опять возникает вопрос: откуда тянуть защитный проводник. Так что, здесь опять решать Вам.

Поэтому, если Вы живете в домах старой постройки и у Вас двухпроводная сеть, то обезопасив свою квартиру заземлением, как Вам кажется, проблема не решиться, а только ухудшится для Вас или соседей. Проблему двухпроводной сети надо решать коллективно – всем домом:

1. Переделка или изменение системы питания дома с четырехпроводной на пятипроводную линию.
2. Замена старых этажных щитов на новые, рассчитанные для пятипроводной линии.

Но не подумайте, что все так страшно. В этой части статьи я рассказал о возможных ситуациях, которые могут возникнуть с нами при неправильном подключении и использовании защитного заземления. Во второй части статьи мы продолжим разбираться с оставшимися системами заземления.
Удачи!

Существуют ли «Напряжение» и «Заземление»?

Есть несколько вещей, которые я изучал на занятиях по электротехнике в университете, но в действительности хотел бы, чтобы их преподавали и объясняли немного по-другому. Понятия «Напряжения» (Voltage) и «Заземления» (Ground) попадают в эту категорию, т.к. часто используются не совсем правильно. В данной заметке мы дадим им точное определение, а также поговорим о некоторых интересных случаях их использования в контексте вычислительной электродинамики и построения корректных расчётных моделей.

Хрестоматийный пример

Давайте начнем с рассмотрения одного из базовых и классических электрических устройств: аккумулятора. В простейшем случае, аккумуляторную батарею можно изготовить, вставив два провода в апельсин. Мы можем использовать «батарейку» для питания другого электрического устройства, например фонарика. Одним из первых навыков, которому нас учили на занятиях по электротехнике, являлось составление принципиальной электрической схемы, которая, вероятно, выглядела следующим образом:


Элементарная принципиальная электрическая схема фонарика.

На этом рисунке показано, что у нас есть батарея, один из выводов которой подключен к ключу (переключателю). При замыкании ключа ток будет протекать через лампочку (испускающую свет) и через резисторы обратно к другой клемме аккумулятора. Это устройство работает в условиях постоянного тока (DC-режим). Резисторы представляют собой внутреннее сопротивление батареи и соединительных проводов. Точки, соединяющие эти компоненты, называются узлами схемы.

Упражнение, которое нам, скорее всего, давали в школе, состояло в том, чтобы вычислить ток в цепи, а также «Напряжения» в различных узлах. Но что конкретно подразумевается под «Напряжением» в этом контексте? Напряжение определяется как разница в электрическом потенциале между двумя узлами в цепи, такими как, например, два узла или контакта батареи. Обратите кстати внимание, что мы также нарисовали «Заземление» на одном выводе батареи, и нам также дали определение «Заземления» как: узла, в котором электрический потенциал равен нулю. Итак, если у нас используется батарейка на 9 вольт, то мы теперь знаем электрический потенциал другого терминала/контакта батареи, и мы можем использовать законы Кирхгофа, чтобы вычислить все напряжения других узлов относительно заземленного узла, а также ток в цепи.

И это должно вызвать вопрос: почему мы называем какой-то конкретный узел «Заземлением» (Ground) или «Землей»? Мы рассматриваем эквивалентную схему фонарика, и он (фонарик) будет работать, даже если будет полностью электрически изолирован от чего-либо еще. (Вы можете убедиться в этом, подбросив фонарик в воздух.) Что же это за точка в нашей цепи, которую мы называем «Заземлением»? Обычно это определение – равенство электрического потенциала нулю – совершенно произвольное, но очень удобное с вычислительной точки зрения. На самом деле мы могли бы выбрать любую другую точку в цепи в качестве земли (или даже присвоить ей отличное от нуля значение электрического потенциала), и получить точно такое же решение для тока. {16} \approx 1/\epsilon, где \epsilon – это «машинный ноль», т.е. относительная погрешность для числа двойной точности с плавающей запятой. В противном случае численные алгоритмы и методы потеряют свою устойчивость и стабильность. Таким образом, задание потенциала в одном произвольном узле модели (его «заземление»), не только удобно с педагогической точки зрения, но и является хорошей практикой численного моделирования.

При расчёте электрических токов в наборе пространственных доменов с использованием метода конечных элементов мало что меняется. Метод конечных элементов можно рассматривать как пространственно распределенную форму закона Кирхгофа. То есть, конечно-элементная модель – это, по сути, просто гораздо более сложная принципиальная схема, и для её численного решения нам просто нужно «заземлить» произвольную точку в области моделирования.

Постойте! Вы имеете в виду, что «Заземление» является произвольным и используется только для стабилизации численных алгоритмов?

Я уже слышу, как несколько энергетиков скрипят зубами, поскольку термин «Заземление», безусловно, также имеет очень реальную физическую суть. Мы неспроста используем определение «Земля», которое также относится к большому шару материи под нашими ногами, к которому мы, кстати, подключаем заземляющие шины. Мы точно знаем, что это этот шар из себя представляет и что это очень реальный предмет. Но что это значит с точки зрения электрического моделирования?

С электрической т.з. Земля представляет собой очень большую массу проводящего материала и (по крайней мере, для целей данного обсуждения) обладает относительно незначительным сопротивлением. Это приводит нас ко второму определению «Заземления»: это область, которая касается нашей модели и в которой, как предполагается, флуктуации электрического потенциала незначительны при протекании тока, по сравнению с распределением потенциала в нашей «основной» модели.

Это новое определение явно отличается от предыдущего, и иногда в литературе встречается определение «Естественное заземление» или «Грунтовое заземление» (Earth ground). Существует также аналогичная концепция «Заземления на шасси» (chassis ground) или «Заземления на корпус» (frame ground), если речь о самолете, летящем в небе, или шасси вашего автомобиля. Даже просто очень большая токопроводящая шина, проходящая через завод, также может быть определена как «Заземление».

Ключевая разница здесь в том, что мы перенесли наше определение «заземления» с одной точки на некоторый объём пространства. Этот объем представляет собой бесконечный источник и приемник тока, т.е. электроны могут втекать или вытекать из этой заземленной области вечно, пока существует разность потенциалов, вызванная аккумуляторной батареей или генератором.

Для целей численного моделирования нам даже не нужно моделировать эту область вообще; достаточно лишь указать границу, где наша расчетная область соприкасается с заземленной областью. Поскольку мы уже допустили незначительные электрические колебания в этой области, то мы можем обосновать применение равномерного электрического потенциала по всей этой поверхности, а для стабильности численных методов, описанной ранее, нам удобно выбирать нулевое значение электрического потенциала. Теперь мы пришли к определению «Заземления», которое мы можем использовать для моделирования электрических систем постоянного тока: граница с нулевым электрическим потенциалов, имитирующая область, которая является бесконечным источником или приёмником тока.

В следующей части статьи мы рассмотрим, как такая формулировка повлияет на наш подход к моделированию.

Моделирование напряжения и заземления в COMSOL Multiphysics®

Рассмотрим прямой участок круглого в сечении провода. Будем считать, что один его конец «заземлён», а другой – подключен к источнику.


Модель участка токоведущего провода.

При решении задачи о протекании тока в DC-режиме мы можем использовать следующий набор граничных условий в физическом интерфейсе Electric Currents:

  1. Условие Ground
  2. Условие Electric Potential
  3. Условие Normal Current Density
  4. Условие Terminal (доступно только при наличии в лицензии модуля AC/DC, MEMS, Полупроводники или Плазма)

Условия Ground и Electric Potential лишь вариации одного и того же. Они фиксируют электрический потенциал по всей поверхности. Условие Ground просто фиксирует электрический потенциал как равный нулю, в то время как вы можете задавать различные его значения с помощью Electric Potential. Всегда держите в уме ранее сформулированное определение: эти границы ограничивают область, которая является бесконечным приемником (или источником) тока, при этом любая разность электрических потенциалов в этой области незначительна по сравнению с расчётной областью. Если вы хотите описать провода, подключенные к клеммам батареи, то это подходящие граничные условия.

Третья опция – граничное условие Normal Current Density – позволяет задать плотность тока в выбранном сечении. При этом электрический потенциал может и не быть равномерным по всей границе. В модель с условием Normal Current Density, как правило, также добавляют условие Ground, через которое «уходит» весь вводимый ток.

Можно также реализовать корректно-обусловленную конечно-элементную модель, в которой задано два условия Normal Current Density: одно для инжектирования тока, второе для съёма. Пока сумма этих токов в точности равна нулю, решение будет существовать. Чтобы найти это решение, рекомендуется добавить условие Ground в любую произвольную точку по причине, рассмотренной ранее. Но, что интересно, при моделировании в 3D мы фактически можем проигнорировать задание Ground для точки и просто использовать два ГУ Normal Current Density, если в них указана одинаковая по модулю, но разная по знаку плотность тока на заданной сетке конечных элементов. Получившаяся модель будет неоткалиброванной, но в 3D-моделях по умолчанию используется итерационный решатель, который «выберет свою собственную калибровку» и в итоге сойдется, даже если для поля электрического потенциала не задано достаточного количества ограничений. Для получения более подробной информации о калибровке потенциалов (Gauge Fixing) см. предыдущие сообщения в нашем корпоративном блоге: «Что такое калибровка потенциала: теоретические основы» и «Как использовать калибровку потенциалов в COMSOL Multiphysics®?». Это замечание, однако, стоит воспринимать лишь как любопытный факт, который на прямую не относится к обсуждаемой проблеме.

Наконец, отдельно поговорим про условие Terminal. Данное условие имеет несколько опций. Так, оно позволяет явно задать электрический потенциал, и в этом случае оно функционально идентично условию Electric Potential. Также можно указать общий ток в сечении. При задании тока, для условия Terminal решается дополнительное уравнение, которое подбирает электрический потенциал на поверхностях таким образом, чтобы желаемый/заданный суммарный ток втекал или вытекал из модели. Условие Terminal дополнительно автоматически вычисляет сопротивления и другие интересующие сосредоточенные величины, поэтому, если у вас есть модуль «AC/DC» или модуль «MEMS», то использование данного ГУ, как правило, является самым предпочтительным вариантом. В условии Terminal есть еще несколько опций для подключения к цепи или для указания рассеиваемой мощности или для указания терминального подключения к линии передачи для вычислений S-параметров. Эти более сложные условия рассматриваются в нашей серии лекций по моделированию резистивных и ёмкостных устройств в различных режимах.

Как только вы прорешаете свою модель, вам также захочется извлечь из нее данные. С помощью метода конечных элементов, программа вычисляет поля V(\mathbf{x}), на их основе мы можем извлечь данные про электрическое поле, \mathbf{E} = – \nabla V, и плотность тока, \mathbf{J} = \sigma \mathbf{E}, а также амплитуды (нормы) любого из этих векторных полей. Имейте в виду , что эти поля будут сходиться при сгущении сетки, за исключением случая наличия любых типов сингулярностей в модели, которые можно либо преобразовать, либо проигнорировать.

Наконец, обратите внимание, что вы можете взять линейный интеграл электрического поля между двумя точками модели, и этот интеграл будет равен разнице в электрическом потенциале между этими двумя точками. Поскольку мы имеем дело со скалярным потенциальным полем, этот интеграл не зависит от пути:

V = \int_C \mathbf{E} \cdot d\mathbf{r}

Приведенное выше уравнение, которое определяет напряжение как интеграл пути электрического поля, не всегда верно при переходе к моделированию изменяющихся во времени электромагнитных полей. Но это уже тема для другого блогпоста, так что следите за обновлениями и анонсами!

Дополнительные материалы

Система заземления TT | Заметки электрика

Здравствуйте, уважаемые посетители сайта «Заметки электрика».

Мы сегодня продолжим изучение систем заземления. Вашему вниманию, я представляю систему заземления TT.

Чем же она отличается от других систем заземления? 

Давайте во всем разберемся по-порядку.

Система заземления TT применяется в первую очередь там, где условия по электробезопасности в системах TN-C, TN-C-S и TN-S не полностью обеспечены, т.е. систему TT рекомендуется применять при неудовлетворительном состоянии питающей воздушной линии электропередач (ВЛ). С уверенностью могу сказать, что большинство воздушных линий (ВЛ) находятся в неудовлетворительном состоянии, выполнены они неизолированными проводами и большинство из них не имеют повторного заземления на опорах.

Со всеми недостатками неизолированных проводов Вы можете познакомиться в статье про СИП провод.

Также систему заземления TT применяют для защиты людей от поражения электрическим током через токопроводящие (металлические) поверхности временных строений или зданий.

К ним относятся:

  • строительные и монтажные бытовки (вагончики)

  • металлические контейнеры, торговые павильоны и киоски

  • помещения с диэлектрической поверхностью стен, при наличии в них постоянной влажности и сырости

Принцип исполнения

Принцип системы заземления TT основан на том, что защитный проводник PE заземляется независимо от нулевого рабочего проводника N и запрещена какая-либо связь между ними.

Даже если рядом расположен контур заземления рабочего проводника N, то все равно защитный проводник PE должен заземляться через свой контур заземления, и эти два контура НЕ ДОЛЖНЫ сообщаться между собой.

Таким образом, мы полностью изолируем токопроводящие (металлические) поверхности временных строений и зданий от электрических сетей.

Это осуществляется простым способом — по всему периметру временного здания (строения) проводится защитный проводник PE в виде пластины или прутка, которые соединяется со своим отдельным контуром заземления.

Запрещено соединять заземленные части конструкций здания (строения) и корпуса электрооборудования с рабочим нулевым проводником N. 

 

Основные требования и особенности системы ТТ

Ниже я перечислю Вам основные требования и особенности при монтаже системы заземления TT.

1. УЗО

Абсолютно на все групповые линии электропроводки должны быть установлены УЗО с уставкой не более 30 (мА). Это необходимо для защиты от случайного прямого или косвенного прикосновения к токоведущим частям электрооборудования, или при появлении неисправностей в электропроводке дома (появление токов утечки).

Также не стоит пренебрегать установкой УЗО на вводе с уставкой от 100-300 (мА), тем самым обеспечивая двухступенчатую селективную защиту своего дома.

Переходите по ссылочке, чтобы познакомиться со всеми разновидностями и типами УЗО.

2. Нулевой рабочий проводник N

Нулевой рабочий проводник N не должен соединяться с местным контуром заземления и шиной РЕ.

3. Перенапряжение

Для защиты электрических приборов от атмосферных перенапряжений необходимо устанавливать ограничители перенапряжения (ОПН) или ограничители импульсных перенапряжений (ОПС или УЗИП). Более подробно об этих устройствах мы поговорим в ближайших статьях.

4. Сопротивление контура заземления

Сопротивление контура заземления Rc должно удовлетворять условию ПУЭ (Глава 1.7., пункт 1.7.59) Rc*Iузо (ток срабатывания УЗО) < 50 (В).

Например, при УЗО с уставкой в 30 (мА) сопротивление контура заземления (заземлителя) должно быть не более 1666 (Ом). Или, если УЗО имеет уставку 100 (мА), то сопротивление не должно превышать 500 (Ом). Это минимальные требования к сопротивлению контура заземления при системе заземления ТТ.

Как произвести измерение сопротивления контура — читайте в статье измерение сопротивления заземления.

Для выполнения вышесказанного условия достаточно будет использовать один вертикальный заземлитель в виде уголка или прутка длиной около 2-2,5 метра. Но я Вам рекомендую выполнить контур более тщательно, забив несколько заземлителей. Хуже не будет.

Недостаток системы заземления ТТ

Пожалуй, единственным недостатком системы ТТ является факт одновременного отказа устройства защитного отключения (УЗО) и пробое фазы на заземленный корпус электрического прибора.

В таком случае защитные проводники РЕ и открытые токопроводящие поверхности окажутся под потенциалом (напряжением) сети по причине того, что автоматический выключатель поврежденной линии может не сработать при замыкании фазы на РЕ, т. к. ток короткого замыкания будет не достаточный. Поэтому единственной защитой в такой ситуации остается система уравнивания потенциала и установка двухступенчатой дифференциальной защиты, про которую я упоминал чуть выше.

P.S. В завершении статьи рекомендую Вам посмотреть мое видео про компоновку и сборку трехфазного щита учета 380 (В) для частного дома с системой заземления ТТ.

Если статья была Вам полезна, то поделитесь ей со своими друзьями:


Введение в заземление: заземление, общее заземление, аналоговое заземление и цифровое заземление

Узнайте об основах заземления, заземления и символов заземления. Не все основания созданы равными. В этой статье мы обсудим заземление, общее заземление, аналоговое заземление и цифровое заземление.

Что такое заземление?

В электронике и электротехнике принято определять точку в цепи как точку отсчета. Эта опорная точка известна как земля (или GND) и несет напряжение 0 В.Измерения напряжения являются относительными измерениями. То есть измерение напряжения необходимо сравнить с другой точкой цепи. Если это не так, измерение бессмысленно.

Опорная точка земли часто, но не всегда (подробнее об этом позже) представлена ​​стандартным символом земли. См. рис. 1.

 

Рис. 1. Общий символ заземления.

 

Обычно эта опорная точка является базой для всех других измерений напряжения в цепи.Однако не все измерения напряжения берутся из этой контрольной точки. Например, если бы вы измеряли напряжение на верхнем резисторе резистивного делителя напряжения, ваша опорная точка не была бы заземлена. См. рис. 2.

 

Рис. 2. Не все измерения напряжения относятся к земле.

Земля Земля

Земля Земля именно так, как кажется. Это заземление, физически (и электрически) соединенное с землей через проводящий материал, такой как медь, алюминий или алюминиевый сплав.

Истинное заземление, как определено Национальным электротехническим кодексом (NEC), состоит из проводящей трубы или стержня, физически вбитого в землю на минимальную глубину 8 футов.

Земля представляет собой электрически нейтральное тело, и из-за практически бесконечного состояния нейтральности Земли она невосприимчива к электрическим колебаниям. Однако следует отметить, что «земля невосприимчива к электрическим колебаниям» на самом деле является обобщением. На самом деле, земная поверхность — довольно сложный объект, учитывая все переменные и материалы, из которых состоит земля.И электрический потенциал Земли действительно испытывает некоторые изолированные области изменения из-за таких событий, как, например, удары молнии. Столбы электропередач, которые протянуты по окрестностям, также подключены к земле. На рис. 3 показан заземляющий провод, прикрепленный к опоре линии электропередач.

 

Рис. 3. Столбы электропередач имеют подсоединенные к ним заземляющие провода.

 

Третий контакт электрических розеток (см. рис. 4) физически соединен с землей.

 

Рис. 4. Третий контакт розетки 110 В переменного тока.

 

Это соединение розетки с заземлением позволяет, например, подключить тестовое оборудование к заземлению — заземляющий (зеленый) провод шнура питания подключается к внутренней раме или шасси оборудования. А при подключении различных единиц испытательного оборудования к заземлению все они подключаются к общей точке заземления и, следовательно, имеют общую ссылку.Вы можете проверить это, измерив сопротивление между клеммами заземления любых двух частей испытательного оборудования.

Этот общий номер выводится пользователю в виде клеммы заземления. Примечание: корпус вашего настольного компьютера также подключен к заземлению.

 

Рис. 5. Испытательное оборудование предоставляет пользователю клеммы заземления. Исходное изображение предоставлено cal-center.us. Примечание добавлено автором.

 

Символ заземления, к сожалению, используется во многих приложениях в электронике и электротехнике, часто означая разные вещи для разных людей, поэтому он может немного сбить с толку некоторых новичков.Например, символ заземления также используется в качестве общего символа заземления или эталона 0 В. Это немного вводит в заблуждение, потому что опорный сигнал 0 В на самом деле не подключен к земле. На рис. 6 показаны различные соединения заземления с использованием общего символа заземления.

 

Рис. 6. Различные соединения заземления с использованием символа заземления.

Аналоговые и цифровые заземления

Цифровые схемы генерируют всплески тока при изменении состояния цифровых сигналов.Когда токи нагрузки изменяются в аналоговых цепях, снова генерируются всплески тока.

Несмотря на то, что существует несколько методов надлежащего заземления, когда речь идет о заземлении смешанных сигналов, наиболее важно — независимо от используемого метода заземления — отделить «более шумные» цифровые обратные токи от «менее шумных» аналоговых. обратные токи. Такое разделение заземления помогает свести к минимуму или предотвратить возникновение шума в цепях из-за токов заземления.

Такие токи заземления — считайте их изменяющимися токами — при подаче на обратные пути заземления создают колебания напряжения (вспомните закон Ома), называемые шумом.Возможно, вы слышали термин «шумная земля». Такой шум может поставить под угрозу чувствительные сигналы в местных цепях. Заземление всегда было серьезным препятствием для инженеров-проектировщиков, инженеров-системотехников и инженеров-испытателей.

Один из возможных методов заземления, который может быть полезен в некоторых, но не во всех, ситуациях, использует так называемое «звездообразное» заземление. Эта философия основана на теории, согласно которой все напряжения в цепи относятся к одной точке заземления.

На рис. 7 показано подключение к одной точке заземления как для аналогового, так и для цифрового заземления.

 

Рис. 7. Единая точка заземления для цифровых и аналоговых заземлений.

 

Метод использования одиночных точек заземления (или звезд) выглядит великолепно на бумаге. Однако на практике это может быть очень сложно реализовать в зависимости от сложности конструкции. Альтернативным подходом является использование заземленной шины.

Однако имейте в виду, что физическое разделение аналогового и цифрового заземления, как правило, не требуется, поскольку обратными токами можно управлять с помощью правильной разводки печатной платы, даже если в проекте используется один (общий) заземляющий слой.

Общая ошибка заземления

Источник питания постоянного тока с тремя выводами, такой как на рис. 8, может немного сбить с толку новичков. Этот источник питания имеет положительную (+), отрицательную (-) клемму и клемму GND (земля). Как упоминалось ранее, клемма заземления (земля) физически привязана к корпусу, который, в свою очередь, подключен к проводу заземления в шнуре питания, который, наконец, подключен к земле через розетку с тремя контактами.

Довольно распространенная ошибка новичков заключается в подключении нагрузки между плюсовой (+) клеммой и клеммой GND.Это неправильное подключение не позволит току вернуться к его источнику энергии (сам блок питания), и, следовательно, ток не будет течь. Правильное соединение заключается в подключении нагрузки между положительной (+) и отрицательной (-) клеммами.

 

Рис. 8. Источник питания постоянного тока с заземлением (зеленая клемма в центре). Изображение предоставлено GWInstek.com.

Электростатический разряд (ЭСР)

Заземление вашего испытательного оборудования также помогает устранить электростатический разряд (ЭСР).Электростатический разряд возникает, когда тело, заряженное статическим электричеством (например, вы) вступает в контакт с испытательным оборудованием. Некоторое испытательное оборудование является сверхчувствительным и может быть очень уязвимым для событий электростатического разряда.

Интегральные схемы (ИС) печально известны своей чрезвычайной уязвимостью к электростатическим разрядам. Заземленные коврики (называемые антистатическими ковриками), заземленные стулья и антистатические браслеты обеспечивают достаточную защиту микросхем от электростатического разряда, заземляя вас — и, таким образом, сбрасывая любой статический заряд, который может быть на вашем теле, — до того, как вы прикоснетесь к каким-либо чувствительным компонентам.Большинство инженеров и техников также носят куртки с защитой от электростатического разряда при работе с печатными платами и ИС для дополнительной защиты от возможного повреждения компонентов и оборудования.

Символы заземления

Следующие символы заземления могут встречаться в проектах:

 

Рис. 9. Общий символ заземления или заземление (Стандарт IEEE 315-1975, раздел 3.9.1 и IEC 60417-5017).

 

Рисунок 10. Заземление с низким уровнем шума или функциональное заземление (IEEE Std 315-1975, раздел 3.9.1.1 и IEC 60417-5018).

 

Рис. 11. Защитное или защитное заземление (IEEE Std 315-1975, раздел 3.9.1.2 и IEC 60417-5019).

 

Рис. 12. Соединение шасси или рамы (IEEE Std 315-1975, раздел 3.9.2 и IEC 60417-5020).

 

Рис. 13. Общие соединения/уровень потенциала не указаны (Стандарт IEEE 315-1975, раздел 3.9.3.2)

Что такое заземление в электронных схемах?

Когда вы начинаете изучать схемы, вы обязательно спросите: «Что такое земля?» в тот или иной момент. Вы на самом деле предполагаете подключить вашу цепь к земле ??

Во-первых: заземление в электронике отличается от заземления в розетке (хотя иногда они соединены).

Заземление в электронике

Недавно я получил электронное письмо от читателя:

«Символ заземления постоянно появляется в разных точках цепи, и я не мог понять, почему для заземления выбрано конкретное место. Что такое земля?»

Заземление что-то просто означает подключение к земле.

А в электронике заземление — это просто имя, которое мы даем определенной точке схемы.

Например, в цепи с одной батареей (с положительной и отрицательной клеммами) мы обычно называем отрицательную клемму заземлением.

А для упрощения рисования схемы используем символ.

Символ земли

Таким образом, вместо того, чтобы рисовать линии ко всем местам, которые должны быть соединены с минусом, вы вместо этого помещаете туда символ земли.Это делает принципиальную схему намного чище, когда много подключений к минусу.

Пример схемы с использованием символов заземления

Поток тока при отображении символа заземления

Чтобы увидеть, как протекает ток на электрической схеме с символами заземления, просто соедините все точки с символами заземления. Это то, что вы делаете, когда строите схему.

Схема с использованием наземных символов Та же схема показана без обозначений земли.

Цепи с плюсом, минусом и заземлением

На некоторых принципиальных схемах вы найдете соединение с положительной клеммой, отрицательной клеммой и клеммой заземления.

Обычно используется, например, в схемах усилителя:

Итак, как это работает?

В этом сценарии земля является средней точкой между положительной и отрицательной клеммой. Вы можете создать эти три точки напряжения, например, последовательно соединив два источника питания:

Заземление при использовании двойного источника питания

Поскольку клемма заземления находится посередине между +9 В и -9 В, ее нормально называть нулевой вольт (0 В).

Щелкните здесь, чтобы узнать, что такое отрицательное напряжение.

Что такое заземление в настенных розетках?

Однако иногда под заземлением понимается реальное соединение с землей. Это тот случай, когда речь идет о проводке розеток в вашем доме. В этом случае заземляющее соединение является фактическим соединением с землей за пределами вашего дома.

Это соединение предназначено для обеспечения безопасности и часто подключается к корпусу устройства. Идея состоит в том, что если возникает проблема, когда провод под напряжением касается шасси, ток направляется на землю, а не через ваше тело, если вы касаетесь шасси.

В некоторых случаях, например в аудиоусилителях, обычно сигнальная земля также подключается к шасси, а значит, и к земле.

Вопросы? Позвольте мне услышать их в комментариях ниже!

Зачем электричеству нужна земля?

Электрические устройства «заземляются», когда они подключаются к заземляющим устройствам по соображениям безопасности. Заземление обеспечивает безопасный «путь наименьшего сопротивления» для распространения паразитного напряжения. Системы заземления направляют паразитное напряжение в землю, где оно безопасно разряжается, а не накапливается в опасных местах.

Без заземления скачки напряжения или повреждение оборудования могут сделать электрические цепи опасными или разрушительными. Они могут повредить подключенные электроприборы, нанести удар током или даже стать причиной возгорания. Заземление является важной функцией безопасности для электрической системы любого строения. На самом деле, электрические нормы и правила требуют его для всего нового строительства. Вот что вам следует знать об электрическом заземлении и зачем оно вам нужно:

Как работает электрическое заземление?

Электрические цепи обычно содержат три провода: «горячий» провод, «нейтральный» провод и провод заземления.Горячий провод содержит активное напряжение, которое питает электрические приборы. Активное напряжение заряжено отрицательно. Отрицательно заряженное электричество естественным образом стремится разрядить свою отрицательную энергию, чтобы вернуться в состояние нейтральной земли. Для этого он проходит через нулевой провод и возвращается на положительный заряд основного сервисного щитка. Когда цепи замкнуты, отрицательные заряды проходят через горячий провод и возвращаются на землю через нейтральный провод. Если все работает правильно, заземляющий провод никогда не вступает в действие.

Однако, к сожалению, схемы могут ломаться или работать со сбоями, как и все остальное. Когда провода в цепи повреждены или сломаны, электричество может выйти из системы и попасть в другие материалы. В зависимости от того, куда течет ток, он может ударить вас током, повредить что-либо или вызвать пожар. Провода заземления предотвращают это. Напряжение всегда следует по пути наименьшего сопротивления при поиске нейтрали, даже когда оно выходит из замкнутой системы. Заземляющие провода обеспечивают этот путь наименьшего сопротивления.Они подключаются к шине заземления в земле под цепью. Когда в системе возникает скачок паразитного напряжения, заземляющий провод «подхватывает» его и передает на землю, где оно не может причинить вам вреда.

Почему важно электрическое заземление?

Заземление электрических цепей является очень важной процедурой безопасности. Заземление помогает защитить вас и ваш дом от опасности повреждения цепей или электрических перегрузок. Когда случаются скачки напряжения, избыточное электричество, поступающее в систему, может выскочить из проводки.Без электрического заземления это паразитное напряжение может привести к пожару, повреждению приборов или поражению прохожих.

Надлежащее заземление защитит электрическую систему вашего дома даже в случае сильного скачка напряжения или удара молнии. Заземление предотвращает возникновение дугового разряда на других проводящих материалах, таких как вода и металл, где это может причинить вам вред. Заземляющие провода также предотвращают перегрузку по напряжению и повреждение ваших приборов, что поможет им прослужить дольше и лучше работать. В целом, заземление является одной из наиболее важных мер безопасности, защищающих современные домашние электрические системы.

Как узнать, заземлены ли мои цепи?

Без тестера цепи или профессионального осмотра может быть трудно определить, правильно ли заземлен ваш дом. Однако есть несколько вещей, которые дадут вам представление. Прежде всего: у ваших розеток два контакта или три? Нижний, третий контакт розетки соединяется с заземляющим проводом. Если в вашем доме есть двухконтактные розетки, они представляют собой незаземленные электрические цепи. Если у вас есть двухконтактные розетки, обновите их до GFCI как можно скорее .

Даже если каждая из ваших розеток имеет три штыря, у вас может не быть эффективного заземления. Иногда дома, которые когда-то были заземлены, теперь имеют неэффективное заземление из-за повреждений или ошибок в проводке. Дома, построенные в 50-х и 60-х годах, часто не имеют заземления или заземлены неэффективно, даже если в них есть розетки с тремя контактами. Если вы хотите точно знать, заземлен ли ваш дом, инвестируйте средства в тестер домашней цепи или запланируйте проверку.

Что делать, если мои цепи не заземлены?

Лучшим вариантом будет вызов электрика для немедленной установки заземления. Специалисты Early Bird могут перемонтировать весь ваш дом, включив безопасное заземление в соответствии с нормами в каждой из ваших цепей. Если вы не хотите заземлять свой дом, вам следует хотя бы заменить розетки с двумя контактами на GFCI.

GFCI, или «прерыватели цепи замыкания на землю», могут обеспечить вам уровень защиты даже без заземления. Эти розетки автоматически прерывают подачу электроэнергии при обнаружении опасности поражения электрическим током, возгорания или повреждения. У вас должны быть розетки GFCI на кухне и в ванных комнатах вашего дома, независимо от того, заземлили вы свой дом или нет! Розетки GFCI не защитят ваши приборы так же эффективно, как заземление, но они помогут защитить вас.

 

Хотите ли вы установить заземление, заменить розетки с двумя штырями на GFCI или у вас есть другой вопрос по электричеству, свяжитесь с Early Bird Electric в любое время. Наши лицензированные и опытные специалисты помогут вам решить любые проблемы с электричеством. Мы хотим помочь убедиться, что ваш дом в безопасности.

Как работает заземление в электронике?

Немногие темы в электронике вызвали столько дезинформации и путаницы, как тема заземления. Цель данной статьи — разъяснить, что такое заземление и почему оно так принципиально важно.

Молотый для картофеля и моркови

Одной из причин того, что заземление может быть такой запутанной темой, является чрезмерное злоупотребление этим термином. В зависимости от контекста это может означать немного разные, но связанные вещи. Именно по этой причине некоторым инженерам не нравится этот термин, и они придумали фразы, подобные заголовку этого раздела. Чтобы понять заземление, давайте сначала определим обратные пути, как только мы поймем обратные пути, будет легко понять заземление.

Рисунок 1. Каждая функционирующая цепь представляет собой замкнутый контур, всегда должен быть обратный путь к источнику

 

На рис. 1 показана очень простая схема. Как вы можете видеть, ток, выходящий из батареи, течет через резистор, через светодиод, а затем обратно в батарею. Чтобы электрическая цепь функционировала, она должна быть замкнутой, всегда должен быть способ возврата тока к источнику. Независимо от того, насколько сложной становится схема, всегда будет либо трасса (трассы), либо плоскость, которая служит обратным путем для возврата тока к источнику.

Почти во всех цепях эти обратные пути вместе называются «землей». Проблема в том, что термин «земля» также используется для определения точки отсчета цепи. В большинстве случаев они совпадают (Рисунок 2) и все понятно, но это не всегда так (Рисунок 3). Эталонная точка необходима, потому что абсолютного нуля напряжения не существует. Когда вы измеряете напряжение, оно всегда относится к некоторому эталонному узлу в вашем проекте и не обязательно должно находиться на обратном пути.Фактически, с теоретической точки зрения, любой узел в вашей схеме может быть эталонным узлом, однако по причинам, которые мы рассмотрим позже, некоторые узлы лучше других. Я уверен, что вы начинаете понимать, как это может сбивать с толку, у нас есть один и тот же термин, относящийся к двум разным понятиям.

Рисунок 2. Контрольная точка и обратный путь находятся на одном узле, что очень естественно и типично.

 

Рисунок 3. Исходная точка и обратный путь не совпадают, в сложных схемах это может быть запутанным кошмаром.

В сложных схемах у нас может быть много обратных путей, и некоторые из них иногда группируются в РАЗНЫЕ основания. Что это значит? Вам может быть интересно, в конце концов, несколько абзацев назад я сказал, что все обратные пути должны в конечном итоге вернуться к источнику, и здесь мы имеем то, что может показаться противоречием. Посмотрите на рисунок 4, и вместе мы во всем разберемся.

Рисунок 4. Все подцепи с разными заземлениями в конечном итоге ведут обратно к источнику

Здесь, на Рисунке 4, вы можете наблюдать как минимум 3 разных основания.Есть аналоговая земля (AGND), цифровая земля (DGND) и общая земля (GND) [ Первое, что я хочу, чтобы вы знали, это то, что я поставил эту схему в образовательных целях, вы бы не указали обратное путь к источнику, используя толстые сети, как я сделал здесь. В нынешнем виде это не действующая схема EAGLE, я просто использую EAGLE для создания чертежа ]. Обратите внимание, что три разных заземления возвращаются к источнику, так что это правильная схема. Впрочем, зачем их разделять, если в итоге все равно все равно вернутся к истоку? Быстрый ответ заключается в том, что сгруппировав обратные пути по трем основаниям, мы можем изолировать шумовые токи в одной цепи от других.Например, токи, проходящие через схему AGND, проходят только через те компоненты, которые подключены к AGND. При такой конструкции цепей токи взаимодействуют друг с другом только в источнике. Используя наши предыдущие определения, мы видим, что все обратные пути возвращаются к источнику, просто их расположение было тщательно разработано, чтобы обеспечить некоторую помехоустойчивость между тремя цепями.

 

Заземление, шасси и сигнальные заземления.Розы под разными названиями.

 

Вооружившись нашими новыми определениями, давайте проанализируем некоторые часто используемые «основания» и поймем, что все они работают одинаково. Именно в контексте приложения они получают разные имена.

ЗАЗЕМЛЕНИЕ

Земля (почва у нас под ногами, а не планета) считается бесконечным источником электронов и определяет точку отсчета для всей электрической проводки в наших домах (см. рис. 5).С практической точки зрения, этот обратный путь «подключен» путем вбивания металлического стержня в землю и обеспечения того, чтобы вся «заземляющая» проводка в наших домах прочно соединилась с ним.

Рисунок 5. Заземляющий стержень, подсоединенный к дому и забитый в землю. Значит, земля-земля.

ЗАЗЕМЛЕНИЕ ШАССИ

Этот тип заземления получил свое название, когда металлический корпус устройства определяется как точка отсчета для электрической цепи. Это относится к автомобилю (см. рис. 6), стиральной машине или любому другому устройству с электропроводящим корпусом.Основная причина использования шасси корпуса и земли в качестве ориентиров связана с безопасностью. Наши тела почти всегда имеют потенциал земли (или почти всегда). Представьте на мгновение, что вы собираетесь стирать, внутри вашей стиральной машины вся электроника подключена к шасси (заземление шасси), а шасси подключено к заземляющей вилке вашей розетки (заземление). Что произойдет, если линия высокого напряжения внутри вашей стиральной машины закоротит на корпус? На рисунке 7 есть ответ.

Рис. 6. Минусовая клемма аккумулятора, подключенная к шасси автомобиля. Определяет эталонный узел для всей электроники вашего автомобиля.

Рисунок 7. Когда заземление и заземление шасси соединены, обратный путь тока проходит мимо человеческого тела, обеспечивая вашу безопасность.

 

Как видите, если используются шасси и заземление, то обратный путь гарантированно минует тело человека в случае контакта с корпусом стиралки при неисправности. Опять же, если мы подумаем об обратных путях, вы увидите, что в этом примере заземление шасси и заземление от обратного пути к источнику переменного тока.Это позволяет избежать разницы потенциалов между вашим телом и корпусом стиральной машины, которая может привести к протеканию тока через ваше тело. Повторим сценарий, что будет, если по какой-то причине шасси стиралки не будет заземлено? Рисунок 8 показывает болезненный результат.

Рисунок 8. Соединение с заземлением прервано, теперь вы являетесь частью обратного пути.

В этом сценарии вы несчастливы в кемпинге, потому что соединение с землей было разорвано, и есть только один жизнеспособный обратный путь для переменного тока, ВЫ.В этом сценарии, как только вы соприкоснетесь с корпусом стиральной машины, вы получите удар током. Что еще хуже, часто силы тока недостаточно для срабатывания выключателя, и вы можете быть поражены током в течение длительного периода времени. Благодаря разумному выбору эталонных узлов пути возврата настраиваются таким образом, чтобы обеспечить вашу безопасность. Как вы уже поняли, название этих узлов «земля» сбивает с толку понимание того, как работают эти меры безопасности.

СИГНАЛЬНОЕ ЗАЗЕМЛЕНИЕ

Это наиболее распространенное обозначение, и в основном это определение эталонного узла для схем на наших печатных платах. Обычно это физически реализуется с использованием заземляющего слоя, таким образом, в нашей конструкции имеется обратный путь к источнику питания с низким импедансом (см. рис. 9). Это важно, иначе разные «земли» на плате могут находиться под разными потенциалами (у опорного узла не везде одинаковое значение) и это может привести к неисправности схемы или просто нерабочему периоду.

Рис. 9. Видите сплошной красный цвет на этой разводке печатной платы? Это обратный путь медной плоскости (земля сигнала) для всех ваших компонентов.

Вам действительно нужна земля?

Как мы узнали, каждая электрическая система нуждается по крайней мере в одном обратном пути к источнику, поэтому в этом смысле все цепи нуждаются в «земле». Как правило, эта «земля» также используется в качестве эталонного узла, относительно которого можно измерить все напряжения в цепи. Однако не все цепи подключаются к линейному напряжению (т. е. устройствам с батарейным питанием), поэтому не всем им требуется заземление или, точнее, обратный путь через землю. Точно так же устройства в непроводящих корпусах не нуждаются в обратном пути шасси в целях безопасности. Что нам нужно, так это иметь возможность называть эти пути как-то иначе, чтобы избежать путаницы с землей, но это вопрос, выходящий за рамки данной статьи.

Теперь, когда вы знаете, что представляет собой каждый из этих типов «заземлений», важно уметь распознавать их на схеме, чтобы ваша электроника могла работать правильно и безопасно. Ниже вы найдете наиболее часто используемые символы для обозначения сигнала, шасси и заземления.Хотя это стандартные символы, вы можете столкнуться со схемой, которая отличается от них. Если это произойдет, обязательно проверьте. Это позволит убедиться, что вы в безопасности.

Мы надеемся, что эта статья помогла прояснить некоторую путаницу вокруг того, что такое «земля». Термин загружается и, в зависимости от контекста, может относиться к пути возврата, опорному узлу или тому и другому. Имейте в виду, что это только вершина айсберга, о «основаниях» и о том, как должны быть реализованы пути возврата в различных приложениях, написаны целые книги. Вы можете ознакомиться с недавним веб-семинаром, который мы провели: «Введение в целостность сигнала для проектирования печатных плат».

Теперь у вас есть основа для понимания этих книг и принятия правильных проектных решений в ваших схемах. Тщательно проектируя пути возврата, вы можете свести к минимуму перекрестные помехи между различными частями вашей цепи и обеспечить безопасность пользователей ваших продуктов, что поможет вам спать по ночам. Получайте удовольствие от проектирования и помните, что земля предназначена для картофеля и моркови!

 

Введение в заземление для обеспечения электромагнитной совместимости

Надлежащее заземление является важным аспектом проектирования электронных систем как с точки зрения безопасности, так и с точки зрения электромагнитной совместимости.Заземление играет решающую роль в определении того, что произойдет в случае непреднамеренных неисправностей, электрических переходных процессов или электромагнитных помех. Надлежащие стратегии заземления также позволяют инженерам более эффективно контролировать нежелательные излучения.

С другой стороны, неправильное заземление может подорвать безопасность и электромагнитную совместимость продукта или системы. За последние несколько десятилетий плохое заземление стало основной причиной отказов систем, связанных с электромагнитной совместимостью.

Разработка хорошей стратегии заземления — довольно простой процесс. Таким образом, может возникнуть вопрос, почему так много систем неправильно заземлены. Ответ прост: инженеры часто путают понятие заземления с другим важным понятием, током возврата. Тот факт, что проводники обратного тока в цифровой электронике часто обозначаются как заземление или GND, может сбивать с толку. Когда проводники обратного тока рассматриваются как заземляющие проводники (или когда заземляющие проводники используются для обратного тока), результатом часто является конструкция со значительными проблемами ЭМС.

Определение земли

Хорошая стратегия заземления начинается с четкого понимания цели заземления. Прежде всего, земля служит опорным нулевым напряжением цепи или системы. Это хорошо понимали несколько десятилетий назад. В 1992 году Американский национальный институт стандартов (ANSI) определил заземление следующим образом [1],

4.152 – заземление. (1) Соединение корпуса оборудования, рамы или шасси с объектом или конструкцией транспортного средства для обеспечения общего потенциала.(2) Соединение электрической цепи или оборудования с землей или с каким-либо проводящим телом относительно большой протяженности, которое служит вместо земли.

Было хорошо известно, что земля является опорным потенциалом и что заземляющие проводники обычно не являются проводниками с током.

Рисунок 1: 110-вольтовая розетка в США

В США 110-вольтовые заземленные розетки имеют три клеммы, как показано на рис. 1. Горячая клемма имеет номинальный потенциал 110 В (среднеквадратичное значение) и подает ток питания.Нейтральная клемма имеет номинальный потенциал 0 Vrms и действует как возврат силового тока. Клемма заземления также имеет номинальный потенциал 0 В (среднеквадратичное значение), но при нормальных условиях ток не проходит. Клеммы нейтрали и заземления подключены к проводам, которые возвращаются к одной и той же точке в распределительной коробке (точке, которая электрически соединена с землей за пределами здания).

Поскольку нулевой и заземляющий провода проходят в одном месте, они электрически взаимозаменяемы.На самом деле, если бы они были электрически закорочены в розетке с одним проводом, соединяющим обратно с сервисной коробкой, было бы трудно обнаружить какую-либо разницу. Так зачем прокладывать два провода вместо одного? Простой ответ заключается в том, что заземление и возврат тока — это две отдельные функции, которые обычно несовместимы. Значительные токи, протекающие в проводнике, могут помешать ему быть надежным опорным потенциалом.

Возможно, самое важное, что нужно сделать для заземления с точки зрения безопасности и ЭМС, это то, что заземление не является обратным током. Земля и текущая отдача — очень важные понятия, но это не одно и то же. Земля НЕ является путем возврата токов к их источнику. Земля по существу является эталоном нулевого напряжения для цепей и систем изделия. Концепция заземления играет решающую роль в проектировании с точки зрения безопасности и электромагнитной совместимости.

Важность заземления для безопасности

Важной частью проектирования безопасных электрических изделий и систем является знание того, где и когда могут появиться небезопасные напряжения на различных проводящих поверхностях.С точки зрения безопасности заземление является эталоном нулевого напряжения, а напряжение на каждом другом проводнике представляет собой разницу между его напряжением и заземлением. Для зданий эталоном земли обычно является земля под зданием (или буквально «земля» под зданием). Это удобно, потому что земля относительно велика, и все крупные металлические конструкции (например, водопровод и кабели, проходящие через границу здания) легко соединяются или привязываются к земле.

Площадка под застройку, как правило, представляет собой металлические стержни, вбитые в землю возле входа в энергосистему.Эти стержни соединены с коробкой выключателя, от которой заземление распределяется на все розетки по нетоковедущим проводам. Они также связаны с любым металлом, который распределяется по всему зданию, например, водопроводными трубами или строительной сталью.

Приборы или электрические изделия со значительной открытой металлической поверхностью, как правило, должны заземлять металл на заземляющий провод, чтобы гарантировать, что он не может достичь небезопасного потенциала по сравнению с любым другим заземленным металлом в здании.Если возникает неисправность, вызывающая короткое замыкание между силовым проводником и оголенным металлом, заземляющее соединение с коробкой выключателя обеспечивает потребление большого количества тока. Это приводит к размыканию автоматического выключателя и обесточиванию прибора.

Рис. 2. Схема, иллюстрирующая основные операции GFCI.

Важно отметить, что этот метод обеспечения безопасности продуктов зависит от надежного соединения заземления сетевой розетки с блоком выключателя.В старых розетках может отсутствовать клемма заземления, и даже в новых розетках с неправильной проводкой может отсутствовать заземление. По этой причине во многих продуктах используются конструкции, в которых для безопасной работы не требуется заземление. Изделия с двойной изоляцией спроектированы таким образом, чтобы исключить короткое замыкание силового соединения на оголенный металл, либо за счет исключения оголенного металла, либо за счет обеспечения срабатывания автоматического выключателя в случае любого короткого замыкания.

Также растет число электротехнических изделий со встроенными устройствами прерывания цепи замыкания на землю (GFCI).GFCI работают, обнаруживая дисбаланс тока между проводами питания и возврата питания. При первых признаках дисбаланса тока, превышающего безопасный порог, GFCI отключает питание.

Защитное заземление может совпадать или не совпадать с заземлением ЭМС, но заземление для обеспечения безопасности может быть важным фактором, который следует учитывать при проектировании с учетом ЭМС. Например, в медицинских изделиях и промышленных устройствах управления заземление схемы часто требуется изолировать от заземления шасси по соображениям безопасности.Это представляет собой уникальную задачу проектирования для инженеров по электромагнитной совместимости, которые обычно хотят видеть все большие металлические объекты хорошо связанными на высоких частотах.

Важность заземления для ЭМС

Проблемы с электромагнитной совместимостью

часто возникают из-за наличия двух больших металлических объектов с разным потенциалом. Потенциальная разница всего в несколько сотен микровольт между любыми двумя резонансными проводниками может привести к тому, что продукт превысит пределы излучаемых помех. Точно так же напряжения, индуцированные между двумя плохо соединенными проводниками, могут привести к проблемам с помехоустойчивостью.

Заземление — это в основном искусство определения эталона с нулевым напряжением и соединения металлических объектов или цепей с этим эталоном через бестоковое соединение с низким импедансом. Надлежащая стратегия заземления ЭМС гарантирует, что большие металлические конструкции не будут перемещаться относительно друг друга, что приведет к непреднамеренным помехам или проблемам с помехоустойчивостью. Соединение металлических предметов для поддержания их одинакового потенциала и привязка всех внешних соединений к одному и тому же заземлению с нулевым напряжением — это ключевой шаг к обеспечению электромагнитной совместимости большинства продуктов.

Наземные сооружения

Почти все электронные устройства и системы имеют заземленную структуру. В зданиях это провода заземления, водопровод и металлоконструкции. В автомобилях и самолетах это металлическая рама или шасси. В большинстве компьютеров это металлическая опорная конструкция и/или корпус.

Структура заземления служит в качестве местного эталона нулевого напряжения. Нельзя позволять чему-либо крупному и металлическому приобретать потенциал, значительно отличающийся от структуры земли.Обычно это достигается путем приклеивания всех крупных металлических объектов к основанию на интересующих частотах. Это также может быть достигнуто путем достаточной изоляции крупных металлических объектов и обеспечения отсутствия возможного источника, который может вызвать возникновение потенциала между ними.

Рис. 3. Спутник с двумя солнечными батареями.

Например, рассмотрим спутник, показанный на рис. 3. Его наземная конструкция представляет собой металлический корпус, в котором находится большая часть электроники.Чтобы передать какую-либо значительную электромагнитную мощность на спутник или вывести его из него, необходимо было бы установить напряжение между наземной конструкцией и чем-то еще, имеющим значительную электрическую величину. На частотах ниже нескольких сотен мегагерц единственными проводниками значительного электрического размера (кроме наземной конструкции) являются две решетки солнечных панелей и, возможно, любые провода, соединяющие эти решетки с цепями внутри спутника.

Соединение массивов солнечных панелей с корпусом в точках, где они находятся в непосредственной близости, гарантирует, что значительные напряжения не появятся между большими проводниками, которые могут непреднамеренно служить передающими или принимающими антеннами для шума.Соединительные провода также должны быть связаны с заземляющей конструкцией. Как правило, это достигается с помощью шунтирующих конденсаторов, чтобы установить связь на шумовых частотах, позволяя токам мощности и сигнала протекать без ослабления.

Стратегия заземления, примененная к спутнику в этом примере, может использоваться практически с любым другим устройством или системой, имеющей наземную конструкцию. Основная философия заключается в том, что сама наземная конструкция представляет собой половину непреднамеренной антенны.Излучаемая связь может возникнуть только в том случае, если между заземляющей конструкцией и другим проводящим объектом значительного электрического размера возникает напряжение. Связывание всех объектов значительного электрического размера с наземной конструкцией предотвращает их непреднамеренное превращение в другую половину антенны.

Эта стратегия заземления важна не только для соблюдения требований к излучаемым помехам и помехоустойчивости, но также играет ключевую роль в удовлетворении требований к кондуктивным помехам и помехоустойчивости, когда структура заземления является как опорным нулевым напряжением, так и предпочтительным путем для потенциально мешающих шумовых токов.

Три важных момента, касающихся наземных сооружений:

  1. Заземляющая конструкция должна быть хорошим проводником на интересующих частотах, но она не должна быть электрически малой. Иногда вы можете услышать, как кто-то выдвигает аргумент, что земля не существует на высоких частотах, потому что земля является эквипотенциальной поверхностью, а потенциал в двух точках на поверхности, отстоящих друг от друга на четверть длины волны, не одинаков. Этот аргумент необоснован, потому что наземные структуры не обязательно являются эквипотенциальными поверхностями в этом смысле. Фактически вся концепция однозначно определяемой разности потенциалов между двумя удаленными точками разваливается на высоких частотах.

    Земля служит в качестве защитного заземления для большинства систем распределения электроэнергии, даже несмотря на то, что земля, безусловно, не является электрически малой при частоте 50 или 60 Гц. Неважно, что потенциал земли в Лос-Анджелесе не такой, как в Нью-Йорке. Заземляющие конструкции служат местными эталонами нулевого напряжения. Они не должны быть электрически малы.

  2. Наземная конструкция не должна закрывать электронику.Наземная конструкция не является защитным ограждением. Это просто что-то большое и металлическое, которое служит локальным эталоном нулевого напряжения для всего остального большого и металлического.

  3. Наземная структура не может пропускать преднамеренные токи (по крайней мере, на интересующих нас амплитудах и частотах). Токи, протекающие по проводнику или в проводнике, вызывают обтекание проводника магнитным потоком. Магнитный поток, обволакивающий проводник, индуцирует в нем напряжение. На высоких частотах это напряжение потенциально может управлять одной частью заземляющей конструкции относительно другой части.

Наземные сооружения могут пропускать токи с частотами и амплитудами, которые не влияют на их эффективность в качестве наземных сооружений. Например, в большинстве автомобилей рама автомобиля используется в качестве пути обратного тока для фар и некритических датчиков, работающих на очень низких частотах. Это не ухудшает способность рамы служить в качестве заземляющей конструкции на более высоких частотах.

Важно отметить, что, хотя заземляющая конструкция не может пропускать преднамеренные токи, ожидается, что она будет пропускать токи короткого замыкания и токи наведенного шума.Фактически правильное использование заземляющей конструкции зависит от ее способности проводить непреднамеренные токи с достаточно низким импедансом для контроля непреднамеренных напряжений.

Заземляющие проводники

Заземляющие проводники представляют собой соединения (например, винты, болты, прокладки, провода или металлические ленты), которые соединяют крупные металлические предметы с заземляющей конструкцией. Как и наземные сооружения, заземляющие проводники не проводят преднамеренных токов. Их функция заключается в удержании напряжения между двумя металлическими конструкциями ниже критического значения.

Заземляющие проводники должны иметь достаточно низкий импеданс (т. е. сопротивление плюс индуктивное сопротивление), чтобы гарантировать, что их импеданс, умноженный на максимальный ток, который они могут пропускать, будет ниже минимального напряжения, которое может привести к проблеме ЭМС. Например, предположим, что экран экранированной витой пары соединен с заземляющей конструкцией через штырь разъема длиной 1 см, как показано на рис. 4. По витой паре передается псевдодифференциальный сигнал со скоростью 100 Мбит/с с синфазным шумом. ток 0. 3 мА при 100 МГц. Напряжение, воздействующее на экран кабеля относительно платы, примерно равно току, возвращающемуся в экран, умноженному на эффективную индуктивность соединения экрана. Предполагая, что эффективная индуктивность контакта разъема составляет приблизительно 10 нГн (т. е. 1 нГн/мм), напряжение, воздействующее на экран кабеля относительно заземляющей конструкции, составляет приблизительно 2 милливольта. Во многих случаях этого достаточно, чтобы превысить предел излучаемых излучений на частоте 100 МГц, и необходимо предпринять шаги для уменьшения синфазного шума или уменьшения индуктивности соединения заземляющего проводника.

Рис. 4. Витая пара с экраном, соединенным с заземляющей конструкцией.

Гальваническая коррозия

Когда заземляющее соединение выполняется путем соединения двух плоских металлических поверхностей болтами, сопротивление соединения может быть более важным, чем индуктивность. Это особенно верно, когда интерфейс между ними подвергается коррозии.

Потенциал гальванической коррозии является мерой того, насколько быстро разнородные металлы будут подвергаться коррозии при контакте.Коррозия зависит от наличия электролита, такого как вода; а скорость коррозии зависит от многих факторов, включая свойства электролита.

Рисунок 5. Анодные индексы для обычных металлов.

В таблице на рис. 5 рядом с их названиями указаны анодные индексы для нескольких распространенных металлов. Этот параметр является мерой электрохимического напряжения, которое будет возникать между металлом и золотом. Чтобы найти относительное напряжение пары металлов, их анодные показатели вычитаются, как указано на графике.В зависимости от окружающей среды соединения между материалами с разницей напряжения более 0,95 В обычно требуют покрытия или прокладок для сохранения целостности соединения с течением времени.

Земля против текущего возвращения

Как указывалось в начале этой главы, заземление и возврат тока — две совершенно разные функции. К сожалению, многие проводники обратного тока помечены как «земля» в реальных продуктах. Это создает большую путаницу, поскольку правила, относящиеся к земле, применяются к текущим доходам, и наоборот.

Например, частичная схема платы на рис. 6 имеет четыре разных заземления. Один компонент работает с сигналами или мощностью, которые относятся к трем из этих оснований. Очень маловероятно, что разработчику этой схемы нужны были четыре разных источника нулевого напряжения. На самом деле четыре заземления соединены перемычками, что указывает на намерение разработчика иметь один опорный нулевой вольт.

Рис. 6. Частичная схема с четырьмя заземлениями.

Компоновка платы, показанная на рис. 7, показывает слой с двумя изолированными цепями, помеченными «GND» и «AGND».Изоляция заземления затрудняет поддержание одинакового потенциала всех крупных металлических объектов в системе. Как правило, это следует делать только тогда, когда это необходимо из соображений безопасности. Так почему же эти «основания» изолированы?

Рис. 7. Один слой макета платы с двумя заземлениями.

В двух приведенных выше примерах причина, по которой «земляные» сети были изолированы, заключается в том, что на самом деле они не были землей. Они были обратными проводниками для силовых или сигнальных токов.Дизайнерам не нужны изолированные ссылки с нулевым напряжением. Они изолировали проводники обратного тока, пытаясь избежать связи с общим импедансом.

Около 50 лет назад, когда цифровые схемы только начинали внедряться в такие продукты, как радиоприемники и высококачественное звуковое оборудование, разработчики электроники быстро поняли, что цифровой шум может быть связан с аудиосхемами, если они используют одни и те же обратные проводники тока. . Например, рассмотрим простую плату, показанную на рис. 8а.Он имеет два цифровых компонента, цифро-аналоговый (D/A) преобразователь и усилитель для усиления аналогового сигнала перед его отправкой с платы через разъем. Несимметричный цифровой сигнал между двумя цифровыми компонентами использует заземляющий слой в качестве обратного пути. На частотах в килогерцы и ниже ток, возвращающийся на плоскость, распространяется с распределением, приблизительно представленным зелеными линиями на рисунке 8b. Низкочастотный ток, возвращающийся из усилителя в цифро-аналоговый преобразователь, следует по пути, примерно показанному синими линиями на рисунке 8b.

Рис. 8. Простая плата смешанных сигналов слева (а) и примерное распределение обратного тока на заземляющем слое (б).

Очевидно, что в текущем распределении много совпадений. Это приводит к связи с общим импедансом, потому что токи в одной цепи имеют общее сопротивление заземления с токами в другой цепи. Если бы общее сопротивление заземляющего слоя было порядка 1 мОм, а цифровые токи были порядка 100 мА, то напряжение, индуцируемое в аналоговых цепях, было бы порядка 100 мкВ.

Пятьдесят лет назад инженеры, разрабатывающие звуковые схемы, заметили, что напряжения, индуцируемые в звуковых цепях из-за связи с общим сопротивлением от цифровых схем, часто были неприемлемыми. Люди могли слышать цифровой шум в акустическом сигнале.

Очевидным решением было изолировать обратные токи цифрового сигнала от обратного тока аналогового сигнала. В то время платы с более чем двумя слоями не были распространены, поэтому популярный подход заключался в том, чтобы зазорить текущую обратную плоскость.Пример этого показан на рисунке 9.

Рис. 9. Плата смешанного сигнала с зазором в плоскости возврата тока слева (а) и примерным распределением обратного тока на плоскости заземления (б).

Поскольку низкочастотные токи не могут протекать через зазор, токи перенаправляются по обе стороны от зазора. Это снижает плотность цифрового обратного тока в области плоскости, используемой в основном аналоговыми токами, и значительно уменьшает связь общего импеданса.

На относительно простых двухслойных платах 1960-х и 1970-х годов зазор между «земляной» плоскостью между аналоговыми и цифровыми цепями часто был эффективным способом устранения неприемлемых перекрестных помех из-за общей связи импеданса. К сожалению, это сработало настолько хорошо, что в конце концов люди пришли к выводу, что между цифровыми и аналоговыми цепями всегда должен быть зазор между заземляющими слоями. Так родилось правило проектирования, а дизайнеры плат любят правила проектирования. Пятьдесят лет спустя многие разработчики плат по-прежнему придерживаются этого правила проектирования, хотя оно уже не имеет смысла.На самом деле, лучшим правилом проектирования современных плат является отсутствие зазоров между аналоговыми и цифровыми цепями в плоскости заземления.

Чтобы проиллюстрировать, почему это так, рассмотрите схему платы на рис. 10. Она состоит из тех же компонентов, что и в предыдущем примере, и, как и в предыдущем примере, имеет зазор между плоскостью заземления между аналоговой и цифровой схемами. Однако в этом случае зазор окружает аналоговую схему с трех сторон.

Рис. 10. Ужасная схема смешанной сигнальной платы слева (а) и гораздо лучшая альтернативная схема справа (б).

График обратных токов, как это было сделано в предыдущем примере, иллюстрирует превосходную изоляцию между цифровыми и аналоговыми обратными токами. Но предыдущие графики обратных токов не учитывали все токи в плоскости. Обратите внимание, что имеются четыре цифровые дорожки, соединяющие цифро-аналоговый преобразователь с одним из цифровых компонентов. Эти сигналы также требуют обратных токов. Эти токи должны проходить от контакта заземления цифро-аналогового компонента к контакту заземления цифрового компонента.Раньше этот путь был коротким и несущественным, но теперь разрыв вынуждает эти токи разделять ту же область плоскости, что и аналоговые токи. Вместо того, чтобы улучшить ситуацию, этот разрыв потенциально может сделать ее намного хуже.

Правильное определение зазора между аналоговой и цифровой схемой имеет решающее значение. Часто было трудно определить правильное место для разрыва пятьдесят лет назад. В современных платах высокой плотности зазоры между плоскостями, как правило, являются неработоспособным и совершенно ненужным решением несуществующей проблемы.

Существует как минимум три причины, по которым в современных конструкциях плат нет необходимости в зазоре между заземляющими пластинами:

  1. Цифровые и аналоговые сигналы работают на гораздо более высоких частотах, чем 50 лет назад. На частотах выше примерно 100 кГц обратные токи на заземляющем слое ограничиваются областями непосредственно под сигнальными дорожками. Поскольку они не расходятся по плоскости, зазоры на плоскости не улучшают изоляцию между цепями.

  2. Даже на частотах кГц и ниже, , сопротивление заземляющих слоев печатной платы составляет менее 1 мОм/квадрат . Это означает, что «шумные» схемы, сбрасывающие ток в амперах на землю, способны индуцировать только милливольты (в худшем случае) напряжения в других цепях, находящихся в той же плоскости. Существует относительно немного ситуаций, когда такой уровень шумовой связи может быть проблемой.

  3. В тех ситуациях, когда нельзя допустить миллиомную связь, гораздо лучше изолировать возврат на другом слое . Например, лучшим решением проблемы соединения в нашем предыдущем примере было отсутствие зазора между плоскостями. На рис. 10b показано, как возврат аналогового тока с использованием трассы на верхнем слое позволяет полностью избежать распространенной проблемы связи импеданса. В платах с большим количеством аналоговых и цифровых возвратов, которые должны быть изолированы на низких частотах, обычно необходимо соединить их на высоких частотах, чтобы предотвратить проблемы с излучаемыми помехами. Маршрутизация изолированных возвратов по соседним слоям значительно упрощает установление между ними хорошего высокочастотного соединения.

Обратите внимание, что дорожка возврата аналогового тока на рис. 10b соединена с плоскостью возврата цифрового тока одним переходным отверстием, расположенным рядом с контактом заземления D/A. Через переходное отверстие не проходят аналоговые или цифровые обратные токи. Его единственная функция состоит в том, чтобы гарантировать, что аналоговые и цифровые схемы имеют один и тот же опорный нулевой уровень напряжения. Другими словами, переходное отверстие является заземляющим проводником, тогда как плоскость и дорожка являются проводниками обратного тока.

Одноточечное и многоточечное заземление

Предположим, что аналоговая трасса обратного тока на рис. 10b имеет два сквозных соединения с плоскостью цифрового обратного тока, как показано на рис. 11.Теперь аналоговый обратный ток имеет два возможных пути. Он может вернуться по следу или может вернуться на плоскости. Ток будет разделяться в соответствии с сопротивлением каждого пути, позволяя значительному количеству аналогового тока возвращаться на плоскость. Аналогично, некоторый цифровой ток будет протекать по трассе возврата аналогового тока. Изоляция разрушается, и снова вводится связь по общему импедансу.

Рис. 11. Добавление второго соединения между двумя изолированными токоотводами может означать, что они больше не изолированы на низких частотах.

Вообще говоря, два пути обратного тока не изолированы на низких частотах, если они соединены более чем в одной точке. Переходное соединение на рисунке 10b является примером заземления в одной точке. Одноточечное заземление является важной концепцией ЭМС, хотя проектировщики часто неправильно понимают ее, поскольку не проводят должного различия между токоотводами и заземляющими проводниками.

Рис. 12. Заземление в одной точке.

На рис. 12 показана концепция одноточечного заземления.Изолированные цепи или системы подключаются к одной точке через нетоконесущие заземляющие проводники. На рис. 13 показана другая реализация, в которой заземляющие проводники соединяются более чем в одной точке, но все они по-прежнему относятся к одной точке. Одним из примеров этого является заземление в зданиях. Каждое заземленное устройство имеет выделенный проводной путь к электросети здания, но параллельные пути создаются сантехническими соединениями или изделиями, внешние металлические поверхности которых находятся в электрическом контакте.Подключение заземляющих проводников более чем в одной точке не снижает эффективность схемы заземления.

Рис. 13. Еще одна реализация одноточечного заземления.

Хотя одноточечное заземление является важной концепцией для обеспечения того, чтобы изолированные цепи имели одинаковое опорное напряжение при нулевом напряжении, оно не работает, если по заземляющим проводникам проходят сигнальные или силовые токи. Например, на рисунке 14 средняя и правая цепи не изолированы.Токи, возвращающиеся от нагрузки к источнику средней цепи, теперь могут возвращаться через предназначенный синий проводник или проходить по дополнительному соединению с правой цепью и обратно в среднюю цепь через «одноточечное» заземление.

Рис. 14. Это НЕ одноточечное заземление.

Путь на Рисунке 14 от одноточечного соединения к среднему контуру, правому контуру и обратно к одноточечному соединению иногда называют контуром заземления.Заземляющие контуры часто считаются несовместимыми с заземлением в одной точке и часто упоминаются как источник общей связи импеданса; но это неправильно. На рис. 13 показан контур заземления, и это по-прежнему хорошая реализация заземления в одной точке. Контур заземления на рис. 14 включает сегмент, который вообще не заземлен. Синий проводник в средней цепи можно назвать «землей» на схеме платы, но это проводник обратного тока.

Как правило, контуры заземления подходят, если все проводники в контуре действительно являются проводниками заземления.Если один или несколько проводников в петле являются низкочастотными проводниками с обратным током, то все проводники в петле будут нести часть этого обратного тока. Это может облегчить связь по общему импедансу.

На рис. 15 показан еще один пример неправильного применения концепции заземления в одной точке. Этот пример был взят из инструкции производителя по применению, в которой клиентам рекомендуется компоновка драйвера трехфазного двигателя. Идея заключалась в том, чтобы обеспечить, чтобы все три фазы имели такое же опорное нулевое напряжение, как и двигатель.Реализация требовала вернуть все коммутационные токи и ток двигателя в одну и ту же точку.

Рис. 15. Одноточечный обратный ток (плохая идея).

Конечно, это не точечное заземление. Это текущая доходность в одной точке. Хотя все проводники помечены как заземление на схеме и на топологии платы, они не являются заземлением. Они являются проводниками обратного тока.

Отправка всех коммутационных токов в одну точку схемы в основном гарантирует, что индуктивность соединения будет выше, чем она была бы в противном случае.Это гарантирует, что будет высокий общий импеданс, а также взаимная индуктивность между фазами. Это также гарантирует, что ни одна из фаз или двигатель не будут иметь одинаковое опорное нулевое напряжение.

По сути, важно помнить, что заземление в одной точке является важной стратегией обеспечения того, чтобы изолированные цепи и устройства имели одинаковый опорный нулевой уровень напряжения. С другой стороны, обратные токи в одной точке часто являются основной причиной значительных проблем электромагнитной связи.

Рис. 16.Многоточечная земля.

Альтернативой стратегии одноточечного заземления является стратегия многоточечного заземления. Пример этого показан на рисунке 16. Вместо одной точки земля определяется локально. По сути, это концепция наземной структуры, описанная ранее.

Обычно в системах, использующих заземляющую структуру, цепи и модули, которые не изолированы от заземляющей конструкции, соединяются более чем в одной точке. Простой пример этого показан на рисунке 17.

Рис. 17. Гибридная стратегия заземления.

В этом случае соединение между средней и правой цепями позволяет низкочастотным обратным токам протекать по заземляющей конструкции. На этих частотах структуру правильнее было бы описать как структуру с возвратом тока. При разработке стратегии заземления важно понимать, что проводящая конструкция может выполнять функцию заземления на одних частотах и ​​функцию обратного тока на других.

Например, в автомобиле средняя и правая цепи на рис. 17 могут представлять модуль управления тормозами и датчик скорости вращения колеса соответственно. Каждый из них заземлен на раму транспортного средства, чтобы соответствовать требованиям по излучению и излучениям на высоких частотах, но ни один из модулей не позволяет высокочастотным токам возвращаться на раму. Так что на высоких частотах рама представляет собой многоточечную заземляющую структуру.

На более низких частотах критически важные коммуникации будут выполняться с использованием дифференциальных сигналов, чтобы не допустить токов сигналов в кадр (и токов кадров в сигналы).Однако основания питания не обязательно должны быть изолированы. Силовые токи, поступающие в модули по питающим 12-вольтовым проводам, возвращались бы к аккумулятору по всем доступным путям. Таким образом, на низких частотах (например, постоянный ток – кГц) рама представляет собой не заземляющую структуру, а структуру с возвратом тока. Силовой ток в амперах, протекающий по раме из-за одного модуля, может индуцировать 100 милливольт на заземлении других модулей, но на большинство модулей не повлияют сотни милливольт на очень низких частотах.

Предположим, схема слева на рис. 17 представляет собой распределение мощности на стартер двигателя внутреннего сгорания. Эта цепь может потреблять сотни ампер тока во время запуска двигателя. Возврат этих токов на раму транспортного средства может привести к неприемлемому уровню шума в модулях, использующих раму в качестве обратного проводника силового тока. В этом случае может быть принято решение изолировать обратку от стартера и соединить ее с рамой в одной точке.

Стратегии заземления

Возможно, самое важное, что нужно сделать в отношении стратегий заземления, будь то для ЭМС или безопасности, заключается в том, что разрабатываемый продукт должен иметь такое заземление. Проблемы обычно возникают, когда заземляющий проводник рассматривается как проводник с обратным током или проводники с обратным током рассматриваются как заземляющие проводники.

Надлежащие стратегии возврата тока обычно сосредоточены на обеспечении путей с низкой индуктивностью для высокочастотных токов и поддержании контроля над путями низкочастотных токов.

Надлежащие стратегии заземления сосредоточены на определении и защите нулевого опорного напряжения для каждой цепи и системы.

Одним из методов отслеживания того, служат ли проводники в первую очередь для функции заземления или для функции возврата тока, является их соответствующая маркировка. Например, назовите соединение с заземляющей структурой «заземление шасси» или «Шасси-GND», но используйте термин «цифровой возврат» или «D-RTN» для обозначения плоскости на печатной плате, основной функцией которой является возврат цифровых токов. к их источнику.Половина успеха в разработке хорошей стратегии заземления заключается в том, чтобы правильно распознать и сохранить целостность истинных оснований.

Еще одним важным аспектом любой стратегии заземления является определение структуры заземления. На системном уровне наземной конструкцией всегда является металлический корпус или каркас, если таковой имеется. На уровне платы, если плата соединяется с рамой, заземление платы должно быть там, где происходит это соединение. Если рамы нет или нет близости к раме, заземление платы обычно должно быть определено на одном из контактов разъема (часто на входе питания 0 вольт).

Вообще говоря, все крупные металлические объекты (например, кабели, большие радиаторы, металлические опоры и т. д.) должны быть прикреплены к заземляющей конструкции. Если это невозможно, они должны быть достаточно изолированы от наземной конструкции, чтобы гарантировать отсутствие значительных нежелательных взаимодействий. Медицинские изделия и многие высоковольтные системы требуют строгой изоляции между рамой или шасси и любыми токоведущими цепями. К сожалению, близлежащие высокочастотные цепи относительно легко индуцируют ток в микроамперах в этих структурах, чего достаточно, чтобы вызвать проблемы с излучаемыми помехами.Предотвращение этого без привязки к раме обычно требует ограничения полосы пропускания схемы, экранирования схемы и/или увеличения расстояния между схемой и рамой.

Ссылки

[1]   Американский национальный словарь стандартов по технологиям электромагнитной совместимости (ЭМС), электромагнитного импульса (ЭМИ) и электростатического разряда (ЭСР), ANSI C63. 14-1992.

 

Все о системах электрического заземления

Дата публикации: 26 сентября 2020 г. Последнее обновление: 26 сентября 2020 г. Абдур Рехман

В этом блоге мы расскажем о необходимости системы электрического заземления, ее важности, типах систем заземления, распространенных методах и факторах, влияющих на установку системы заземления, советах по безопасности и т. д.Проще говоря, этот блог посвящен системе электрического заземления.

Земля является общей точкой возврата электрического потока. Система заземления представляет собой резервный путь, который имеет альтернативный путь для протекания электрического тока на землю из-за любого риска в электрической системе, прежде чем произойдет пожар или удар.

W Электрическое заземление?

Проще говоря, «заземление» означает создание пути с низким сопротивлением для протекания электричества в землю.«Заземленное» соединение включает в себя соединение между электрическим оборудованием и землей через провод. После правильного подключения это обеспечивает вашим устройствам и приборам безопасное место для разряда избыточного электрического тока. Это потенциально предотвратит несколько рисков для электрооборудования. Заземляющий провод в электрической розетке — это, по сути, предохранительный клапан.

👉🏼 Мы запустили новый курс, т. е. IEEE 1584-2018 (Руководство по расчету опасности вспышки дуги) .В этом курсе мы рассказали о введении, истории и некоторых основных изменениях в утвержденном стандарте IEEE 1584-2018. В настоящее время мы предлагаем скидку 50% в течение ограниченного времени. Мы надеемся, что вы присоединитесь к нам и получите от этого пользу.

Национальный электротехнический кодекс определяет землю как «проводящее соединение, преднамеренное или случайное, между электрической цепью или оборудованием и землей или каким-либо проводящим телом, которое служит вместо земли». NEC также заявляет, что «земля не должна использоваться в качестве единственного заземляющего проводника оборудования. » (NEC) ограничивает напряжение от молнии, перенапряжения в сети и контакта с линией более высокого напряжения с помощью заземляющих проводников оборудования.

Целью заземления электрической системы является повышение безопасности всей системы и обеспечение защиты от колебаний напряжения питания. Система должна быть идеально заземлена, если вы хотите иметь безопасную и надежную сеть и избежать рисков для жизни людей.

Зачем нам нужно заземлять электрическую систему?

В частности, в крупномасштабных жилых или коммерческих проектах некоторые люди считают, что установка системы заземления и любых дополнительных конструкций из электрических материалов будет сложной и трудоемкой, если будет выполнено своевременное техническое обслуживание.Это чрезвычайно опасная практика, которая может привести к поражению электрическим током в случае короткого замыкания внутренней проводки устройства.

По словам Джона Гриззи Грживача, почетного профессора Национального учебного института OSHA, «большинство несчастных случаев на коммунальных предприятиях и несчастных случаев со смертельным исходом, связанных с контактом с линией, являются результатом отсутствия соответствующих средств индивидуальной защиты, отсутствия изолированного покрытия линии или отсутствия надлежащего заземления. »

Распространенными рисками незаземленной электрической системы являются поражение электрическим током и возгорание, поскольку электрический ток всегда проходит по пути с низким сопротивлением.Рабочие на рабочем месте подвергаются более высокому риску, когда незаземленное устройство разряжает избыточный ток. В результате электричество будет передаваться человеку, что приведет к травме или смерти. Вероятность неисправности в незаземленной системе очень высока. Чтобы получить наилучшую защиту человека и электрического оборудования, убедитесь, что ваша система заземлена.

Как правило, энергосистемы подключаются к земле через емкость между линиями и землей, и прямой физической связи между линиями электропередач и землей нет.

Типы заземленной системы:

Ниже перечислены три важных типа систем заземления.

  • Незаземленные системы
  • Системы с заземлением через сопротивление
  • Системы с глухим заземлением

Когда электрическая система работает и нет преднамеренного соединения с землей, это называется незаземленной системой. Хотя эти системы были обычным явлением в 40-х и 50-х годах, они все еще используются в наши дни.

В незаземленной системе ток замыкания на землю незначителен, поэтому его можно использовать для снижения риска поражения людей электрическим током. При возникновении неисправности по двум проводам должен пройти ток, который был назначен для трех проводов: рост тока и напряжения приведет к повышенному нагреву и приведет к ненужному повреждению электрической системы.

Поскольку ток замыкания на землю пренебрежимо мал, поиск неисправности становится очень сложным и трудоемким процессом. Альтернативная стоимость неисправности в незаземленной системе чрезвычайно высока.

Системы с заземлением через сопротивление:

Заземление по сопротивлению — это когда система электроснабжения имеет соединение между нейтральной линией и землей через резистор. Здесь резистор используется для ограничения тока короткого замыкания через нейтральную линию.

Существует два типа заземления сопротивления: заземление с высоким сопротивлением и заземление с низким сопротивлением.

Высокоомное заземление:

Ограничение тока замыкания на землю до < 10 ампер.

Системы заземления с высоким сопротивлением (HRG) обычно используются на заводах и фабриках, где текущая работа процессов прерывается в случае неисправности.

Заземление с низким сопротивлением:

Ограничивает ток замыкания на землю от 100 до 1000 ампер.

С другой стороны, системы заземления с низким сопротивлением (LRG) используются в системах среднего напряжения до 15 кВ и отключают защитные устройства при возникновении неисправности.

Надежно заземленные системы:

Твердое заземление означает, что система электроснабжения напрямую подключена к земле, и в цепи нет преднамеренного дополнительного сопротивления. Эти системы потенциально могут иметь большие токи замыкания на землю, поэтому неисправности легко обнаруживаются.

Обычно используется в промышленных и коммерческих энергосистемах. Имеются резервные генераторы на случай, если авария отключит производственный метод.

Общие методы для электрических систем заземления:  

Наиболее распространенными методами электрического заземления являются:

  • Пластины заземления
  • Заземляющие трубы и стержни

Пластины заземления:

Заземляющие пластины изготовлены из меди или оцинкованного железа (GI) и помещены вертикально в землю в яме (заполненной слоями древесного угля и соли) глубиной более 10 футов.Для более высокой системы электрического заземления необходимо поддерживать влажность земли вокруг системы пластин заземления.

Национальный электротехнический кодекс требует, чтобы пластины заземления имели площадь не менее 2 футов, контактирующую с окружающей почвой. Черные металлы должны иметь толщину не менее 0,20 дюйма, тогда как цветные материалы (медь) должны иметь толщину всего 0,060 дюйма.

Сопротивление заземлению (RTG) Бедный
Коррозионная стойкость Бедный
Увеличение РИТЭГ в холодной воде Сильно пострадавший
Увеличение РИТЭГов с течением времени РИТЭГ увеличенный
Напряжение электрода В среднем
Стоимость установки Ниже среднего
Ожидаемая продолжительность жизни Бедные 5-10 лет

 

Заземляющие трубы и стержни:

Труба из оцинкованной стали (смесь соли и древесного угля) помещается вертикально в почву через отверстия для подключения заземляющих проводов. Длина и диаметр трубы в основном зависят от типа грунта и электроустановки (величины тока). Влажность почвы будет определять длину трубы, которая будет помещена в землю.

Медный стержень с оцинкованной стальной трубой вертикально помещается в землю. Это очень похоже на заземление трубы. Здесь стержни имеют форму электродов, поэтому сопротивление земли уменьшается до определенного значения. Национальный электрический кодекс (NEC) требует, чтобы ведомые стержни имели длину не менее 8 футов и чтобы 8 футов длины находились в непосредственном контакте с почвой.

Сопротивление заземлению (RTG) Бедный
Коррозионная стойкость Бедный
Увеличение РИТЭГ в холодной воде Сильно пострадавший
Увеличение РИТЭГов с течением времени РИТЭГ ухудшается
Напряжение электрода Бедный
Стоимость установки В среднем
Ожидаемая продолжительность жизни Бедные 5-10 лет

Фактор, влияющий на установку системы заземления:

Ниже приведены факторы, влияющие на характеристики любого заземляющего электрода:

  • Материал, используемый в системе заземления
  • Заземляющий электрод (длина или глубина, диаметр, количество заземляющих электродов)
  • Почва (тип, влажность, температура, удельное сопротивление, количество соли)
  • Конструкция системы заземления
  • Местоположение земляной ямы

источник изображения: https://www. ppindustries.com.au/

Важность заземления электрических токов:

Защита от перегрузки:

На электрическом рабочем месте, когда по какой-либо причине возникает чрезмерный скачок напряжения, возникает высокое напряжение электричества в системе, что приводит к поражению электрическим током и пожару. В этом сценарии значительно помогает заземленная система, поскольку вся эта избыточная электроэнергия уходит в землю. Эта простая форма защиты от перенапряжения потенциально может спасти рабочих, электроприборы, данные и устройства, а не повредить все, что подключено к электрической системе.

Стабилизация напряжения:

Заземленная система гарантирует, что цепи не перегружены и не управляются за счет распределения нужного количества энергии между источниками напряжения. Земля обеспечивает общую точку отсчета для стабилизации напряжения.

Защита от поражения электрическим током:

Общими рисками незаземленной электрической системы являются серьезное поражение электрическим током и возгорание. В худшем случае незаземленная система может привести к возгоранию, повреждению оборудования, потере данных и травмам или смерти.Заземленная система обеспечивает бесчисленные преимущества, устраняет опасность поражения электрическим током, защищает оборудование от напряжения, предотвращает возгорание, снижает стоимость ремонта оборудования и время простоя, снижает уровень электрических помех (колебаний электрического сигнала).

Советы по безопасности электрического заземления:

В электрической системе обеспечение заземления электричества должно быть высшим приоритетом для обеспечения безопасности. Для обеспечения безопасности сотрудников и рабочего места на всей территории соблюдаются меры безопасности.Ниже приведены некоторые советы по безопасности:

  • Ознакомьтесь с правилами электробезопасности перед началом работы (см. OSHA 29 CFR 1910.269(a)(3) и .269(c) )
  • Заземляющее соединение должно быть установлено первым и удалено последним при удалении заземления (OSHA 29CFR 1910. 269(n)(6)).
  • Убедитесь, что электротехническое рабочее место оборудовано датчиками напряжения, токоизмерительными клещами и тестерами розеток.
  • Используйте устройство защиты от перенапряжения, чтобы отключить электропитание на рабочем месте в случае возникновения неисправности, устройства защиты напольных кабелей, чтобы предотвратить спотыкание на электрическом рабочем месте, и прерыватели цепи замыкания на землю для всех розеток, чтобы предотвратить поражение электрическим током.
  • Выберите правильное оборудование при заземлении электрической системы. Помните, что ваше оборудование прочнее самого слабого компонента в системе.
  • Убедитесь, что рабочие знают, как правильно использовать каждый инструмент, особенно при постоянном электрическом токе.
  • Используйте автоматический выключатель или предохранитель с соответствующим номинальным током.
  • Регулярная чистка наземных комплектов продлевает срок службы и безопасность комплекта.
  • Никогда не используйте оборудование с изношенными шнурами, поврежденной изоляцией или сломанными вилками.
  • Осматривайте, обслуживайте и организуйте ремонт проводов в местах их ввода в металлическую трубу, прибор или в местах ввода скрытых кабелей в электрическую коробку.

ВЫВОД:

Система электрического заземления обеспечивает безопасность персонала и оборудования при работе на линии. Помните, обесточенная линия просто в мгновение ока окажется под напряжением, поэтому электрическая система всегда должна быть надежно заземлена.

Проверенный опыт нашей команды сертифицированных профессиональных инженеров поможет в оценке вашей системы и предоставит самые современные решения по заземлению для защиты вашей энергосистемы.Мы тесно сотрудничаем с нашими клиентами при сборе данных, моделировании системы, моделировании наихудших условий и аномалий, построении ступенчатого и сенсорного потенциалов и предоставлении рекомендаций в соответствии с последними промышленными стандартами.

Если у вас остались вопросы по системам заземления или нашим услугам, оставьте их в комментариях ниже, и мы поможем вам получить ответ.


  • Об авторе

    Абдур Рехман — профессиональный инженер-электрик с более чем восьмилетним опытом работы с оборудованием от 208 В до 115 кВ как в сфере коммунального хозяйства, так и в промышленной и коммерческой сфере.Он уделяет особое внимание защите энергетических систем и инженерным исследованиям.

 

Заземление и экранирование электронных систем – Профессиональное и непрерывное образование

Заземление и экранирование + Схема печатной платы
(20 ЧАСОВ ЛЕКЦИЙ)

Этот вариант видео состоит из 15 часов заземления и экранирования, а также 5 часов компоновки печатной платы. По двум комбинированным курсам необходимо сдать только один выпускной экзамен.

КУПИТЬ (1000 долларов США)


Заземление и экранирование электронных систем
Как диагностировать и решать проблемы с электрическими шумами (15 часов)

Этот курс представляет собой систематизированное введение в основные принципы заземления и экранирования, разъясняет трудную терминологию и демонстрирует множество методов выявления и устранения проблем с электрическими шумами. Принципы будут описаны в виде концепций, а не теоретических уравнений.Акцент на концепциях сделает курс полезным для людей с разным опытом. Продемонстрировано несколько механизмов интерференции и методов экранирования.

Этот курс поможет вам:

  1. Используйте логическую процедуру для диагностики и устранения проблем с электрическими помехами;
  2. Сокращение времени и затрат, необходимых для соблюдения спецификаций по выбросам и восприимчивости;
  3. Определение оптимального метода заземления для обеспечения безопасности и низкого уровня шума;
  4. Признать, что все проблемы с электрическим шумом вызваны четырьмя основными механизмами связи; и
  5. Определите правильное подключение экранов кабелей.

Краткое содержание курса и цели обучения


Схема печатной платы для уменьшения
Электромагнитное излучение и восприимчивость (5 часов)

Курс охватывает вопросы компоновки печатных плат, которые охватывают частотный диапазон от постоянного тока до нескольких ГГц. Особое внимание уделяется смешанным аналоговым и цифровым конструкциям и многослойным платам. Большинство представленных концепций и методов применимы к одно- и двусторонним конструкциям плат. Несколько ключевых концепций проиллюстрированы демонстрациями.Вы также изучите методы диагностики проблем с электромагнитными помехами на уровне платы.

Этот курс показывает, что вопросы безопасности, излучения и восприимчивости можно использовать для определения того, следует ли, где и как подключать печатную плату к металлическому корпусу. Каждый конкретный случай имеет свой уникальный результат, но все выводы основаны на одних и тех же принципах электромагнитной совместимости.

Этот курс поможет вам:

  • Разработка или производство электронного оборудования;
  • Конструкторские печатные платы;
  • Дизайнерские металлические корпуса для печатных плат;
  • Выберите разъемы и кабели, прикрепленные к печатным платам;
  • Проектирование интегральных схем и корпусов;
  • Дизайн фильтров для уменьшения кондуктивных помех;
  • Выберите радиаторы для корпусов интегральных схем; и,
  • Испытание на электромагнитную совместимость изделий, содержащих печатные платы.

Оставить комментарий