Электрическое заземление: методы, типы и правила монтажа — полное руководство

Электрическое заземление — компоненты, методы и типы заземления — монтаж заземления

Электрическое заземление, заземление (grounding), методы заземления, типы заземления, компоненты заземления и их спецификации в отношении электрического заземления для электроустановок.

Что такое электрическое заземление?

Соединение металлических (проводящих) частей электрического прибора или установки с землёй (грунтом) называется заземлением или заземлением (grounding).

Иными словами, соединение металлических частей электрических машин и устройств с заземляющей пластиной или заземляющим электродом (заложенным во влажном грунте) через толстый проводник (с очень малым сопротивлением) для безопасности называется заземлением или заземлением.

Заземлить — значит соединить часть электрооборудования (металлические оболочки, заземляющие клеммы кабелей, тяги, не несущие ток в нормальном режиме) с землёй. Заземление также можно определить как соединение нулевой точки системы питания с землёй для предотвращения или минимизации опасности при разряде электрической энергии.

• Связанный пост: Разница между заземлением, заземлением и потенциаловыравниванием

Полезно знать

Разница между Earthing, Grounding и Bonding

Разберём путаницу между earthing, grounding и bonding.

Earthing и Grounding — синонимы, обозначающие заземление. Grounding — общепринятый термин в североамериканских стандартах (IEEE, NEC, ANSI, UL и др.), а Earthing используется в европейских, странах Содружества и по британским стандартам (IS, IEC и др.).

Термин Bonding (потенциаловыравнивание) означает соединение двух проводов (а также проводов, труб или приборов вместе). Bonding — это соединение металлических частей разных машин, которые в нормальном режиме не несут ток, для приведения их к одному электростатическому потенциалу.

Зачем нужно заземление?

Основная цель заземления — избежать или минимизировать опасность поражения током, пожара из-за утечки тока по нежелательным путям и обеспечить, чтобы потенциал токоведущего проводника не поднимался относительно земли выше расчётной изоляции.

Когда металлическая часть прибора (проводящая) контактирует с фазным проводом — из-за неисправности монтажа или пробоя изоляции — металл заряжается, на нём накапливается статический заряд. Если человек коснётся такого заряженного металла, получит сильный удар током.

Чтобы избежать этого, системы питания и части приборов заземляют, чтобы сбрасывать заряд прямо в землю. Именно поэтому нам нужно электрическое заземление в системах электроустановок.

Основные потребности в заземлении:

• Защита жизней людей и безопасность электроустройств от утеточного тока.
• Поддержание постоянного напряжения в здоровых фазах (при неисправности в одной фазе).
• Защита электросистем и зданий от молний.
• Служение обратным проводником в системах электрической тяги и связи.
• Предотвращение риска пожара в электроустановках.

Термины, используемые в электрическом заземлении

• Земля (Earth): Правильное соединение электроустановки через проводник с заложенной в грунте пластиной.
• Заземлённый (Earthed): Устройство, подключённое к земле через заземляющий электрод.
• Твёрдо заземлённый (Solidly Earthed): Устройство, соединённое с заземляющим электродом без предохранителя, выключателя или сопротивления/импеданса.
• Заземляющий электрод (Earth Electrode): Проводник (или проводящая пластина), заложенный в грунт для системы заземления. Формы: пластина, стержень, металлическая водопроводная труба или другой проводник с малым сопротивлением.
• Заземляющий провод (Earthing Lead): Проводник или полоса, соединяющая заземляющий электрод с электроустановкой.
• Потенциаловыравнивающий проводник (Earth Continuity Conductor): Проводник, соединяющий разные электроустройства и приборы: щит, розетки, приборы. Провод между заземляющим проводом и прибором. Может быть в виде металлической трубы (полной или частичной), металлической оболочки кабеля или гибкого провода.
• Заземляющий провод подглавной линии (Sub Main Earthing Conductor): Провод между щитом и распределительным щитом, относящийся к подглавным цепям.
• Сопротивление заземления (Earth Resistance): Полное сопротивление между заземляющим электродом и землёй в Омах (Ω). Алгебраическая сумма сопротивлений потенциаловыравнивающего проводника, заземляющего провода, заземляющего электрода и грунта.

Точки, подлежащие заземлению

Заземление не делается произвольно. Согласно правилам IE и регламентам IEE (Институт инженеров-электриков),

• Земляной контакт 3-контактных розеток освещения и 4-контактных силовых розеток должен быть эффективно и постоянно заземлён.
• Все металлические оболочки или покрытия, содержащие или защищающие линии электропередач или аппаратуру (стальные трубы и короба с ВИР или ПВХ кабелями, чугунные выключатели, чугунные распределительные предохранительные щиты и т.д.) должны быть заземлены.
• Рамы всех генераторов, стационарных двигателей и металлические части всех трансформаторов для управления энергией должны быть заземлены двумя отдельными и различными соединениями с землёй.
• В трёхпроводной системе постоянного тока средний проводник должен быть заземлён на электростанции.
• Тяги воздушных линий должны быть соединены с землёй за счёт подключения хотя бы одной жилы к заземляющим проводам.

Связанный пост: Тестирование электрических и электронных компонентов и устройств мультиметром

Компоненты системы заземления

Полная система электрического заземления состоит из следующих базовых компонентов.

• Потенциаловыравнивающий проводник (Earth Continuity Conductor)
• Заземляющий провод (Earthing Lead)
• Заземляющий электрод (Earth Electrode)

Потенциаловыравнивающий проводник или заземляющий провод

Часть системы заземления, соединяющая все металлические части электроустановки: короба, каналы, коробки, металлические оболочки выключателей, распределительных щитов, выключателей, предохранителей, регулирующих и управляющих устройств, металлические части электромашин (двигатели, генераторы, трансформаторы) и металлические конструкции, где установлены электрические устройства и компоненты — называется заземляющим проводом или потенциаловыравнивающим проводником.

Сопротивление потенциаловыравнивающего проводника очень мало. По правилам IEEE, сопротивление между заземляющей клеммой потребителя и потенциаловыравнивающим проводником (на конце) не должно превышать 1 Ом. Простыми словами, сопротивление заземляющего провода должно быть менее 1 Ом.

Размер потенциаловыравнивающего проводника зависит от сечения кабеля, используемого в проводке.

Размер потенциаловыравнивающего проводника

Площадь поперечного сечения потенциаловыравнивающего проводника не должна быть менее половины поперечного сечения самого толстого провода, используемого в электропроводке.

Обычно для потенциаловыравнивающего проводника используют оголённую медную проволоку 3 SWG. Но помните: не используйте меньше 14 SWG как заземляющий провод. Медная полоса также может использоваться вместо оголённой проволоки, но только по рекомендации производителя.

• Связанный пост: Как найти подходящее сечение кабеля и провода для электроустановки?

Заземляющий провод или заземляющее соединение

Проводник, соединённый между потенциаловыравнивающим проводником и заземляющим электродом или заземляющей пластиной, называется заземляющим соединением или «заземляющим проводом». Точка встречи потенциаловыравнивающего проводника и заземляющего электрода называется «точкой соединения».

Заземляющий провод — финальная часть системы заземления, подключённая к заземляющему электроду (подземному) через точку соединения.

В заземляющем проводе должно быть минимум соединений, он должен быть минимального размера и прямого направления.

Обычно заземляющим проводом используют медную проволоку, но для крупных установок применяют медь полосу — она выдерживает большие КЗ-токи за счёт большей площади. Также используется твёрдая вытяжная оголённая медная проволока. В этом методе все заземляющие проводники соединяются в общую точку (одну или несколько), а затем заземляющий провод соединяет заземляющий электрод (заземляющую пластину) с точкой соединения.

Для повышения коэффициента безопасности применяют две медные проволоки как заземляющие провода для соединения металлического корпуса устройства с заземляющим электродом или пластиной. Т.е. при двух заземляющих электродах будет четыре заземляющих провода. Не считать, что два заземляющих провода — это параллельные пути для КЗ-токов; оба пути должны работать надёжно для переноса КЗ-токов, что важно для безопасности.

Размер заземляющего провода

Сечение заземляющего провода не должно быть менее половины самого толстого провода в установке.

Максимальный размер заземляющего провода — 3 SWG, минимальный — не менее 8 SWG. Если используется провод 37/.083 или нагрузка 200 А от напряжения питания, рекомендуется использовать медь полосу вместо двойного заземляющего провода. Методы соединения заземляющего провода показаны на рисунке выше.

Примечание: Отдельной статьёй будет опубликован расчёт размера заземляющей пластины… Следите за обновлениями.

Заземляющий электрод или заземляющая пластина

Металлический электрод или пластина, заложенные в грунт (подземно) — последняя часть системы электрического заземления. Простыми словами, финальная подземная металлическая (пластинчатая) часть системы заземления, соединённая с заземляющим проводом, называется заземляющей пластиной или заземляющим электродом.

В качестве заземляющего электрода можно использовать металлическую пластину, трубу или стержень с очень малым сопротивлением, способный безопасно отводить КЗ-ток в грунт.

• Связанный пост: Как подключить автоматический и ручной вводно-переключающие коммутаторы? (1 и 3 фазы)

Размер заземляющего электрода

Можно использовать как медь, так и железо.

Размер заземляющего электрода (для меди)

2×2 фута (ширина и длина) и толщина 1/8 дюйма. Т.е. 2' × 2' × 1/8" (600×600×3 мм).

Для железа

2' × 2' × ¼" = 600×600×6 мм

Рекомендуется закладывать заземляющий электрод во влажный грунт. Если невозможно, вставьте воду в оцинкованную железную (GI) трубу для создания влажных условий.

В системе заземления установите электрод вертикально (подземно), как показано на рисунке. Также положите слой порошкового угля и извести толщиной 1 фут (около 30 см) вокруг заземляющей пластины (не путать заземляющий электрод и заземляющую пластину — это одно и то же).

Это увеличивает эффективный размер заземляющего электрода, улучшает проводимость в грунте и помогает поддерживать влажность вокруг заземляющей пластины.

P.S: Будет опубликован пример расчёта размеров заземляющего электрода… Следите за обновлениями.

Полезно знать:

Не используйте кокс (остаток после сжигания угля в печи, 88% углерода) или каменный уголь вместо древесного угля — это вызывает коррозию заземляющей пластины.

Так как уровень грунтовых вод разный в разных районах, глубина установки заземляющего электрода тоже разная. Но глубина не должна быть менее 10 футов (3 метра) и должна быть ниже 1 фута (304.8 мм) от постоянного уровня грунтовых вод.

Двигатели, Генераторы, Трансформаторы и т.д. должны быть соединены с заземляющим электродом в двух разных местах.

Размер заземляющей пластины/электрода для мелких установок

В мелких установках используйте металлический стержень (диаметр = 25 мм (1 дюйм), длина = 2 м (6 футов)) вместо заземляющей пластины. Труба должна быть заложена на 2 метра ниже поверхности грунта. Для поддержания влажности положите 25 мм (1 дюйм) смеси угля и извести вокруг заземляющей пластины.

Для эффективности и удобства можно использовать медные стержни диаметром 12.5 мм (0.5 дюйма) до 25 мм (1 дюйм) и длиной 4 м (12 футов). Метод установки стержневого заземления обсудим позже.

• Связанный пост: Всё о системах электрической защиты, устройствах и блоках

Методы и типы электрического заземления

Заземление можно выполнять множеством способов. Различные методы, применяемые в заземлении (в домашней проводке, на заводах и других подключённых электроустановках и машинах), рассматриваются ниже.

Пластинчатое заземление:

В системе пластинчатого заземления пластина из меди размером 60×60×3.18 мм (2×2×1/8 фут) или оцинкованного железа (GI) размером 60×60×6.35 мм (2×2×¼ фут) закапывается вертикально в грунт (заземляющая яма) не менее 3 м (10 футов) от уровня земли.

Для правильной системы заземления следуйте вышеуказанным шагам (введение заземляющей пластины) для поддержания влажности вокруг заземляющего электрода или пластины.

Трубчатое заземление:

Оцинкованная стальная перфорированная труба утверждённой длины и диаметра устанавливается вертикально во влажном грунте. Это самая распространённая система заземления.

Размер трубы зависит от величины тока и типа грунта. Обычно диаметр 40 мм (1.5 дюйма), длина 2.75 м (9 футов) для обычного грунта или больше для сухого и каменистого. Влажность грунта определяет длину трубы, но обычно она должна быть 4.75 м (15.5 футов).

Стержневое заземление

Это тот же метод, что трубчатое заземление. Медный стержень диаметром 12.5 мм (1/2 дюйма) или 16 мм (0.6 дюйма) оцинкованной стали или полой секции 25 мм (1 дюйм) GI трубы длиной более 2.5 м (8.2 фута) закапываются вертикально в грунт вручную или пневмомолотом. Длина вглублённых электродов в грунте снижает сопротивление заземления до требуемого значения.

Заземление через водопровод (Waterman)

В этом методе для заземления используются водопроводные (оцинкованные GI) трубы. Необходимо проверить сопротивление GI труб и использовать заземляющие зажимы для минимизации сопротивления для надёжного заземляющего соединения.

Если заземляющим проводом используется много жилой проводник, очистите концы жил и выпрямите их в параллельном положении для надёжного соединения с водопроводной трубой.

Полосатое или проводное заземление:

В этом методе полосовые электроды с поперечным сечением не менее 25×1.6 мм (1×0.06 дюйма) закладываются в горизонтальные траншеи минимальной глубины 0.5 м. Если медь с сечением 25×4 мм (1×0.15 дюйма) или размер 3.0 мм² для оцинкованного железа или стали.

Если используются круглые проводники, их сечение не должно быть слишком малым, менее 6.0 мм² для оцинкованного железа или стали. Длина проводника в грунте должна обеспечивать достаточное сопротивление заземления и не быть менее 15 м.

• Связанный пост: Защитные меры для предотвращения и снижения электрических опасностей

Общий метод монтажа электрического заземления (пошагово)

Обычный метод заземления электрооборудования, устройств и приборов следующий:

1. Выкопать яму 5×5 футов (1.5×1.5 м) глубиной 20–30 футов (6–9 метров). (Глубина и ширина зависят от природы и структуры грунта).
2. Закопать подходящую (обычно 2'×2'×1/8" (600×600×3 мм) медную пластину в яму вертикально.
3. Закрепить заземляющий провод через гайки и болты в двух разных местах на заземляющей пластине.
4. Использовать два заземляющих провода с каждой заземляющей пластиной (при двух пластинах) и закрепить их.
5. Для защиты соединений от коррозии намазать их смазкой.
6. Собрать все провода в металлическую трубу от заземляющего электрода(ов). Убедиться, что труба выступает 1 фут (30 см) над поверхностью грунта.
7. Для поддержания влажности вокруг заземляющей пластины положить слой порошкового угля (древесного) и извести толщиной 1 фут (30 см) вокруг пластины.
8. Использовать наконечники и гайки для твёрдого соединения проводов с подошвами машин. Каждая машина должна быть заземлена в двух разных местах. Минимальное расстояние между двумя заземляющими электродами — 10 футов (3 м).
9. Потенциаловыравнивающий проводник, соединённый с корпусом и металлическими частями всей установки, должен быть твёрдо соединён с заземляющим проводом. Обеспечить проверку непрерывности тестом на непрерывность.
10. В конце (но не в последнюю очередь) протестировать всю систему заземления через измеритель заземления. Если всё соответствует плану, засыпать яму грунтом. Максимально допустимое сопротивление заземления — 1 Ом. Если больше — увеличить сечение (не длину) заземляющего провода и потенциаловыравнивающего проводника. Держать внешние концы труб открытыми и периодически заливать воду для поддержания влажности вокруг заземляющего электрода — важно для качественного заземления.

СИ спецификация для заземления

Различные спецификации по заземлению, рекомендованные Индийскими стандартами:

• Заземляющий электрод не должен устанавливаться близко к зданию, чья система заземляется — как минимум более 1.5 м в стороне.
• Сопротивление заземления должно быть достаточно низким для прохождения тока, способного сработать защитными реле или сжечь предохранители. Его значение не постоянно — меняется с погодой за счёт влажности (но не должно быть менее 1 Ома).
• Заземляющий провод и заземляющий электрод должны быть из одного материала.
• Заземляющий электрод всегда должен быть в вертикальном положении в грунте/яме для контакта со всеми слоями грунта.

Связанные посты:

• Однфазный электромонтаж в доме — NEC и IEC
• Трёхфазный электромонтаж в доме — NEC и IEC

Опасность отсутствия заземления системы питания

Как подчёркивалось ранее, заземление обеспечивается для

• Предотвращения удара током
• Предотвращения риска пожара от утеточного тока по нежелательным путям и
• Обеспечения того, что ни один токоведущий проводник не поднимается к потенциалу относительно массы земли выше расчётной изоляции.

Однако, если избыточный ток не заземлён, приборы повредятся без помощи предохранителя. Следует отметить, что избыточные токи заземляются на генерирующих станциях, поэтому заземляющие провода несут очень малый или нулевой ток. Следовательно, не обязательно заземлять любые из проводов (фазу, заземление и ноль) в ПВЦ изоляции. Заземление фазного провода — катастрофа.

Я видел человека, погибшего от того, что фазный провод оборвался на столбе и упал на землю, пока земля была мокрая. Избыточные токи заземляются на электростанциях, а если заземление неэффективно из-за неисправности, на помощь придут прерыватели утечки тока. Предохранитель помогает только когда передаваемая мощность выше номинала приборов — он перегорает, блокируя ток и защищая приборы.

В наших электроприборах, если избыточные токи не заземлены, мы получим сильный удар. Заземление в электроприборах срабатывает только при проблеме, чтобы спасти нас от опасности. Если в электроустановке металлическая часть прибора контактирует с фазным проводом (из-за неисправности монтажа или иначе), металл зарядится и накопит статический заряд.

Если вы коснётесь металлической части в этот момент — получите удар. Но если металлическая часть заземлена, заряд уйдёт в землю вместо накопления на металле. Ток не течёт по заземляющим проводам в приборах — он течёт только при проблеме, чтобы отвести нежелательный ток в землю и защитить нас от удара.

Кроме того, если фазный провод случайно (в неисправной системе) коснётся металлической части машины. Если человек коснётся этой части, ток пойдёт через тело в землю — удар током (электротравма), который может привести к тяжёлым травмам даже смерти. Вот почему заземление так важно?

Электрическое заземление и grounding… Продолжение следует…

Подпишитесь ниже, если хотите получать следующие посты о Заземлении/Граундинге, такие как:

• Расчёт размера потенциаловыравнивающего проводника, заземляющего провода и заземляющих электродов для разных устройств (двигатели, трансформаторы, домашняя проводка) простыми расчётами
• Заземляющая цепь и ток заземления
• Защита системы заземления и дополнительные устройства в системе заземления/граундинга
• Пункты, которые нужно помнить при обеспечении заземления/граундинга
• Важные инструкции для правильной системы заземления
• Правила электротехники о заземлении
• Как измерить сопротивление заземления измерителем заземления
• Как измерить сопротивление контура заземления амперметром и вольтметром
• Многократное защитное заземление (PME)
• И многое другое…

Связанные посты:

• Как найти размер заземляющего проводника, заземляющего провода и заземляющих электродов?
• Какая разница между Нулём, Заземлением и Землёй?
• Проект системы заземления в подстановочной сетке